重催裝置內取熱器換熱管破裂分析

安全分析重催裝置內取熱器換熱管破裂分析李波潘廣斌l姜日元鄭啟文ˉ1.吉林石化公司吉林1320222.哈爾濱焊接研究所哈爾濱150080)摘要淪述了內取熱器Cr5M換熱管破裂性質(zhì)、原因及防止措施指岀采用高鎳焊材異質(zhì)接頭管內局部區域存在較厚覆蓋物、№aOH濃縮集聚旳條件和較高的應力水平等是導致?lián)Q熱管產(chǎn)生沿晶型應力腐蝕開(kāi)裂的關(guān)鍵因素關(guān)鍵詞內取熱器匯5M鋼管應力腐蝕開(kāi)裂異質(zhì)接頭同質(zhì)接頭中圖分類(lèi)號:Q051.5Q050.7文獻標識碼文章編號:001-483X200)0-0053-03Rupture Analysis of Interchange Tube of Interior Heat Collectorfor Heavy Oil Catalysis Cracking plantLI Bo'PAN Guang-bin' JIANG Ri-yuan' ZHENG Qi-wen(lJilin Petrochemical Co. Ltd., Jilin 132022, China 2 Harbin Research Institute of Welding, Harbin150080 ChinaAbstract Character cause and provision of the interchange tube rupture for interior heat collector were intro-duced. The analysis showed that making high nickel dissimilar filler metal joint more heavy deposition aswell as NaoH condensation on local zone in the tube more high stress level were main cause for above IntergrantKey words interior heat collector Cr5 Mo- tube ' stress corrosive crack ,dissimilar filler metal joint similarfiller metal joint某廠(chǎng)年處理70萬(wàn)噸常壓渣油重催裝置內取熱口介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽溫度為460~470℃壓力為3.8器為2000年6月投用自2001年11月以來(lái)曾先后4.0MPa管外:入口和出口處溫度均為600℃3次發(fā)生換熱管破裂泄漏。為此,對其破裂的原因介質(zhì)為油氣、煙汽、催化劑。1999年6月內取熱器進(jìn)行試驗分析熱負荷由22t/h增加至29~30th內取熱器基本情況2檢測和試驗重催裝置再生器內取熱器用于將外取熱器及油2.1宏觀(guān)檢驗漿發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽加熱為過(guò)熱蒸汽供給廠(chǎng)中國煤化工改分別發(fā)生于三組內中壓蒸汽管網(wǎng)。內取熱器為盤(pán)管式結構換熱管規取CNMH的焊接接頭區(見(jiàn)圖格為89mm×8mm材質(zhì)為C5Mo共3組每組盤(pán)管1)製匙始于詈內墅斥假處,沿環(huán)縫熔合區或焊式換熱管長(cháng)約100m換熱面積28m2。其運行參數,縫金屬由內向外擴展(主裂紋大多位于環(huán)縫盤(pán)管側管內汏λ口介質(zhì)為飽和蒸汽溫度為240~250℃出熔合區)且大部分已穿透管壁成為張口裂紋張口CPVT重催裝置內取熱器換熱管破裂分析Vol20. Nol0 2003寬約1~2m)裂口處管外壁受到外泄高壓、高速焊渣易堆積沉積牣包括腐蝕產(chǎn)物)換熱管破裂蒸汽及被攪動(dòng)旳催化劑沖蝕形成許多表面粗糙、形區壁厚減薄及變形不明顯屬脆性開(kāi)裂。破裂區管狀各異的溝槽和凹坑見(jiàn)圖2內壁和裂紋面上堆積一層厚約1mm的黑色附著(zhù)物。管內壁裂紋附近有多個(gè)小蝕坑最大的6mm換熱管破裂處×2mm(深度換熱管破裂處入口圖1內取熱器換熱管破裂位置換熱管破裂區焊縫為現場(chǎng)手弧焊內壁基本焊圖2內取熱器換熱管破裂口外觀(guān)形貌透但成形不好余高有的約4mm)且焊根有殘存22換熱管破裂區母材及焊縫化學(xué)成分分析表1換熱管破裂區母材及焊縫化學(xué)成分化學(xué)成分CFe備注換熱管母材0.0980.290.350.00710.0144.830.0370.51焊縫金屬0.0360.242.900.00230.∞017.0263.852.360.30熔合區附近11.412860.05注注注注熔合區附近注]、2為鉆孔取樣分析結果3、4為裂紋前緣機械打斷后新鮮斷口表面能譜分析結果換熱管破裂區母材及焊縫化學(xué)成分見(jiàn)表1。顯表2換熱管接頭區各部位顯微硬度測試結果(HV然現場(chǎng)組焊采用的是鎳基焊條N-Cr-Fe),即異位置內部區表層區質(zhì)焊材及相關(guān)工藝。母材區362292292.3換熱管破裂區及其附近壁厚測量熔合線(xiàn)母材側229216220203236229210210斷口邊緣壁厚8.1~9.2mm,斷裂區附近壁厚熔合線(xiàn)焊縫側18817217202|017216826馬氏體帶)焊縫金屬中心)232162448.4~9.2m,遠離斷囗處壁厚8.5~9.5mm。上述壁厚測量值均大于換熱管名義壁厚。2.5裂紋金相分析2.4金相分析從裂紋試樣1#主裂紋沿接頭一側熔合區擴展,觀(guān)察顯示換熱管破裂區接頭母材區組織為回裂紋縫隙內充滿(mǎn)腐蝕產(chǎn)物,主裂紋奧氏體焊縫一側火索氏體焊縫金屬組織為奧氏體γ相基體)過(guò)熱存在沿晶發(fā)展的微裂紋與主裂紋相見(jiàn)圖3區組織為貝氏體:熔合區焊縫側馬氏體帶沿熔合區從裂紋試樣2*一側焊根處主裂紋沿熔合線(xiàn)擴分布不完整很大范圍無(wú)馬氏體帶)最寬處約12.5展,并向奧氏體焊縫一側衍生出許多沿晶發(fā)展的微mn,熔合區附近未見(jiàn)明顯增、脫碳現象(見(jiàn)圖3)裂紋見(jiàn)圖45)主裂紋后1/3段沿奧氏體晶界擴換熱管接頭區各部位顯微硬度測試結果見(jiàn)表2。展并終止于焊趾區,該段主裂紋也向奧氏體焊縫側衍生出許多沿晶界發(fā)展的微裂紋另側焊根裂紋沿焊縫奧氏體晶界形成和擴展(見(jiàn)圖62.6斷口覆蓋物微區成分分析對管內羔物成分分析表明,其中含有約1%的行中國煤化工裂紋縫隙腐蝕產(chǎn)物進(jìn)CNMHG裂紋和分支微裂紋中都含有Na元素因主裂紋較寬裂紋縫隙中腐蝕產(chǎn)物較深故上述面掃描和線(xiàn)掃描實(shí)際是針對主裂紋圖3裂紋試樣1“主裂紋及分支微裂紋形貌的一個(gè)界面頂端進(jìn)行的所以Na元素的峰值較低第20卷第10期壓力容器總第131期探針檢測得岀主裂紋和分支小裂紋中均不存在C體帶最大硬度才H√260,說(shuō)明接頭材料塑性和韌性和S元素。均較高。宏觀(guān)、金相和掃描電鏡觀(guān)察均顯示:換熱管破裂起源于管內壁高鎳合金焊材異質(zhì)接頭焊根區沿熔合區和焊縫金屬奧氏體晶界擴展裂紋多分枝屬脆性、沿晶開(kāi)裂斷口表面及管內壁裂口附近覆蓋有較厚的積沉物和腐蝕產(chǎn)物,內含有NaOH。由此可見(jiàn)內取熱器入口附近換熱管破裂具有NaOH引起的應力腐蝕開(kāi)裂的特征3.2關(guān)于內取熱器換熱管破裂原因的分析圖4裂紋試樣2#右側主裂紋及分支微裂紋形貌高鎳焊材 Inconel屏質(zhì)接頭的應力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題早已引起人們的關(guān)注。高鎳焊材異質(zhì)接頭熔合區及其焊縫金屬在250~350℃高溫、高壓水和蒸汽介質(zhì)中發(fā)生沿晶型應力腐蝕開(kāi)裂在國外已多有報研究表明高鎳合金接頭對C!誘發(fā)的沿晶型應力腐蝕開(kāi)裂具有很強的抑制作用,但隨著(zhù)Ni含量的提高因NaOH或H2SO4等溶液誘發(fā)的沿晶型應力腐蝕開(kāi)裂敏感性卻隨之增加。顯然上述換熱管破裂區(高鎳焊材異質(zhì)接頭圖5裂紋試樣2右側分支微裂紋形貌恰好位于其運行溫度在250~300℃的內取熱器入口附近管內高溫、高壓飽和蒸汽中含有一定量的水液汽水介質(zhì)中含有一定量的NaOH;管內存在NaOH濃縮集聚的條件(內壁焊根區成形不良且殘存焊渣使其表面易堆積附著(zhù)物或腐蝕產(chǎn)物還處于蒸汽和水干濕交替狀態(tài)等)高的熱負荷和從汽包來(lái)的飽和蒸汽含有較多固體粒子也是造成結垢和NaOH濃縮的因素;此外破裂區又是焊接殘余應力、接頭應力集中和結構應力集中彎頭與盤(pán)管連接圖6裂紋試樣2#左側焊根奧氏體焊縫沿晶裂紋形貌點(diǎn)腫疊區等多種因素的綜合作用導致?lián)Q熱管產(chǎn)生沿晶型應力腐蝕開(kāi)裂。討論4預防內取熱器換熱管破裂的途徑3.1關(guān)于內取熱器換熱管破裂的性質(zhì)討論從化學(xué)分析結果看(見(jiàn)表1),破裂區接頭為高(1痖應改善換熱管內汽水質(zhì)量減少從汽包來(lái)的鎳合金焊林 ENiCrFe- Inconel焊條)手弧焊工藝制飽和蒸汽中固體粒子含量),改善接頭背面成形采作的全焊透異質(zhì)合金對接接頭焊縫金屬組織為奧用鎢極氬弧焊打底防止在內取熱器低溫端管內壁氏體)由于采用的是高鎳合金〔N63%煒焊材,能(焊根區)產(chǎn)生結垢消除堿液(NaOH等)濃縮集聚夠抑制熔合區焊縫側脆性馬氏體帶的形成焊接坡的條件?？陂g隙較大母材稀釋不嚴重也減少產(chǎn)生馬氏體帶優(yōu)先采用同質(zhì)焊材焊后進(jìn)行消應力熱處的傾向。檢驗證實(shí)實(shí)際接頭熔合區只在局部區域理中國煤化工直與母材相當?？吹今R氏體帶其最大寬度僅為12.5mm而大部分CNMHG應力熱處理條件時(shí)可熔合區甚至看不到馬氏體帶。此外采用高鎳焊材,考慮采用抗應力腐蝕性能強的高鎳合金焊材作為焊接頭中沒(méi)有顯著(zhù)的氫、碳向馬氏體帶擴散和集聚從接用材,并要求小線(xiàn)能量、直道焊、短弧焊工藝。試而加劇材質(zhì)脆性的問(wèn)題顯微硬度數據也證實(shí)凸氏驗和實(shí)踐證實(shí)N是抗穿晶型應力(下轉第59頁(yè)第20卷第10期壓力容器總第131期4個(gè)功能按鈕。用戶(hù)可以按照探傷的過(guò)程要求,選參考文獻擇不同的功能按鈕。如用戶(hù)對缺陷定位在正確選擇探傷工藝規范和確定是缺陷信號的前提下點(diǎn)擊[1]蔣云.60N超臨界機組鍋爐集箱小徑管角焊縫超聲探傷定位定量"按鈕進(jìn)入缺陷定位界面用戶(hù)只需波探伢J]無(wú)損探傷996(3)輸入探傷聲程、K值以及系統規定的各項參數就能〖2〕曾建電站鍋爐聯(lián)箱管座角焊縫的探傷方法研究J熱力電力1996(6)計算岀缺陷的位置顯示輸入缺陷位置截面圖并判[3]蔡暉薄壁安放式接管座角焊縫地超聲探伽J].西北斷缺陷是否在焊縫內如圖5所示。電力2002(3)5結論[4]陳建忠史耀武超聲檢測過(guò)程地數字模攬J].無(wú)損檢測20012x5)1胲該專(zhuān)家系統解決了管座角焊縫單側探傷的[5] Schmitz v, Walte F, Chakhloy sv..3 D Ray Tracing ir問(wèn)題實(shí)現了在支管和主管面雙側探傷洴能顯示出Austenite Material J ] NDT&E International 1999 32( 4)缺陷在焊縫中位置的截面圖提高缺陷的檢岀率以及對缺陷的準確定位。[6]馬玉祥武波,專(zhuān)家系統M]成都成都科技大學(xué)出版2廨解決了缺陷信號識別難度大的問(wèn)題使一般社1994.探傷人員通過(guò)專(zhuān)家系統的指導幫助就可勝任管座7]王耀南智能控制系統M]長(cháng)沙湖南大學(xué)出版社1996角焊縫的探傷工作便于應用推廣,3)統實(shí)現了對管座角焊縫根部未焊透缺陷[8]樊丁閻澄,等壓力容器焊縫超聲波探傷專(zhuān)家系統[J1甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報1994202)深度與長(cháng)度的自動(dòng)判定?！?)系統的知識庫還不夠豐富充實(shí)對缺陷定收稿日期200-05-29性還不能給出合理的解釋。目前正在深入開(kāi)展這作者簡(jiǎn)介陳漢1977-)男碩士研究生從事鍋爐壓力方面的研究工作使該系統不斷完善。容器無(wú)損檢測方向研究上接第5頁(yè)腐蝕開(kāi)裂的有效元素采用高鎳Ni控制P、S、NC等元素含量可避免焊接接頭穿晶和>45%冾金焊材基本可抑止穿晶型應力腐蝕開(kāi)裂沿晶兩種類(lèi)型的應力腐蝕開(kāi)裂。哈爾濱焊接研究所的發(fā)生擔鎳過(guò)多反而容易發(fā)生沿晶型應力腐蝕開(kāi)為此研制的高鎳抗應力腐蝕焊材H105( Inconel裂將Cr含量提高至28%以上加適量的Nb或152)其成分和性能列于表3。表3H-10孓 Inconel152焊條熔敷金屬化學(xué)成分和常溫性能MnPS Ni o( MPa) o,( MPa) a %0.10%3.0%≤0.50%28/31%9.0/11.0%1.5/2.5%≤0.01%4淂焊接過(guò)程中避免強制組裝及結構集合重力NaOH堿液濃縮聚集的條件;破裂區處于焊接殘余的作用避免將內取熱器入口側彎管和盤(pán)管對接接應力、接頭應力集中和結構應力集中重疊區導致脆頭置于結構應力集中區性、沿晶、NaOH引起的應力腐蝕開(kāi)裂。5避免在較低溫度下(室溫蹣負荷使用特別參考文獻應避免在低溫下受到?jīng)_擊載荷[1]小若正倫金屬的腐蝕破壞與防蝕技術(shù)M]化工出版5結論社,1988,11(1煥換熱管多次破裂均發(fā)生于內取熱器入口端[2]陸世英簿鎳基及鐵鎳基耐蝕合金M]化工出版社彎頭與盤(pán)管相連的異質(zhì)合金焊接接頭主裂紋起始1989.1于內壁環(huán)縫根部沿接頭熔合區和焊縫金屬奧氏體中國煤化工町M1航空工業(yè)出版社晶界擴展相鄰的奧氏體焊縫金屬中也存在許多與CNMHG主裂紋相連的分枝小裂紋。收稿日期2003-08-05修稿日期2003-09-20(2汭取熱器低溫端焊接采用對NaOH應力腐作者簡(jiǎn)介李波1970-)車(chē)間設備主任工程師通訊地址蝕開(kāi)裂敏感的高鎳焊材異質(zhì)接頭管內存在結垢和吉林石化公司。