安全分析重催裝置內(nèi)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(nèi)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(nèi)局部區(qū)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裂的關鍵因素關鍵詞內(nèi)取熱器匯5M鋼管應力腐蝕開裂異質(zhì)接頭同質(zhì)接頭中圖分類號: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某廠年處理70萬噸常壓渣油重催裝置內(nèi)取熱口介質(zhì)為過熱蒸汽溫度為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(nèi)取熱器進行試驗分析熱負荷由22t/h增加至29~30th內(nèi)取熱器基本情況2檢測和試驗重催裝置再生器內(nèi)取熱器用于將外取熱器及油2.1宏觀檢驗漿發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽供給廠中國煤化工改分別發(fā)生于三組內(nèi)中壓蒸汽管網(wǎng)。內(nèi)取熱器為盤管式結構換熱管規(guī)取CNMH的焊接接頭區(qū)(見圖格為89mm×8mm材質(zhì)為C5Mo共3組每組盤管1)製匙始于詈內(nèi)墅斥假處,沿環(huán)縫熔合區(qū)或焊式換熱管長約100m換熱面積28m2。其運行參數(shù),縫金屬由內(nèi)向外擴展(主裂紋大多位于環(huán)縫盤管側管內(nèi)汏λ口介質(zhì)為飽和蒸汽溫度為240~250℃出熔合區(qū))且大部分已穿透管壁成為張口裂紋張口CPVT重催裝置內(nèi)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旳催化劑沖蝕形成許多表面粗糙、形區(qū)壁厚減薄及變形不明顯屬脆性開裂。破裂區(qū)管狀各異的溝槽和凹坑見圖2內(nèi)壁和裂紋面上堆積一層厚約1mm的黑色附著物。管內(nèi)壁裂紋附近有多個小蝕坑最大的6mm換熱管破裂處×2mm(深度換熱管破裂處入口圖1內(nèi)取熱器換熱管破裂位置換熱管破裂區(qū)焊縫為現(xiàn)場手弧焊內(nèi)壁基本焊圖2內(nèi)取熱器換熱管破裂口外觀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(qū)母材及焊縫化學成分分析表1換熱管破裂區(qū)母材及焊縫化學成分化學成分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(qū)附近11.412860.05注注注注熔合區(qū)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(qū)母材及焊縫化學成分見表1。顯表2換熱管接頭區(qū)各部位顯微硬度測試結果(HV然現(xiàn)場組焊采用的是鎳基焊條N-Cr-Fe),即異位置內(nèi)部區(qū)表層區(qū)質(zhì)焊材及相關工藝。母材區(qū)362292292.3換熱管破裂區(qū)及其附近壁厚測量熔合線母材側229216220203236229210210斷口邊緣壁厚8.1~9.2mm,斷裂區(qū)附近壁厚熔合線焊縫側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(qū)擴展,觀察顯示換熱管破裂區(qū)接頭母材區(qū)組織為回裂紋縫隙內(nèi)充滿腐蝕產(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)過熱存在沿晶發(fā)展的微裂紋與主裂紋相見圖3區(qū)組織為貝氏體:熔合區(qū)焊縫側馬氏體帶沿熔合區(qū)從裂紋試樣2*一側焊根處主裂紋沿熔合線擴分布不完整很大范圍無馬氏體帶)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(qū)附近未見明顯增、脫碳現(xiàn)象(見圖3)裂紋見圖45)主裂紋后1/3段沿奧氏體晶界擴換熱管接頭區(qū)各部位顯微硬度測試結果見表2。展并終止于焊趾區(qū),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(見圖62.6斷口覆蓋物微區(qū)成分分析對管內(nèi)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掃描實際是針對主裂紋圖3裂紋試樣1“主裂紋及分支微裂紋形貌的一個界面頂端進行的所以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,說明接頭材料塑性和韌性和S元素。均較高。宏觀、金相和掃描電鏡觀察均顯示:換熱管破裂起源于管內(nèi)壁高鎳合金焊材異質(zhì)接頭焊根區(qū)沿熔合區(qū)和焊縫金屬奧氏體晶界擴展裂紋多分枝屬脆性、沿晶開裂斷口表面及管內(nèi)壁裂口附近覆蓋有較厚的積沉物和腐蝕產(chǎn)物,內(nèi)含有NaOH。由此可見內(nèi)取熱器入口附近換熱管破裂具有NaOH引起的應力腐蝕開裂的特征3.2關于內(nèi)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)接頭的應力腐蝕開裂問題早已引起人們的關注。高鎳焊材異質(zhì)接頭熔合區(qū)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裂具有很強的抑制作用,但隨著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裂敏感性卻隨之增加。顯然上述換熱管破裂區(qū)(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(nèi)取熱器入口附近管內(nèi)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(nèi)存在NaOH濃縮集聚的條件(內(nèi)壁焊根區(qū)成形不良且殘存焊渣使其表面易堆積附著物或腐蝕產(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(qū)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腫疊區(qū)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裂。討論4預防內(nèi)取熱器換熱管破裂的途徑3.1關于內(nèi)取熱器換熱管破裂的性質(zhì)討論從化學分析結果看(見表1),破裂區(qū)接頭為高(1痖應改善換熱管內(nèi)汽水質(zhì)量減少從汽包來的鎳合金焊林 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(nèi)取熱器低溫端管內(nèi)壁氏體)由于采用的是高鎳合金〔N63%煒焊材,能(焊根區(qū))產(chǎn)生結垢消除堿液(NaOH等)濃縮集聚夠抑制熔合區(qū)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)焊材焊后進行消應力熱處的傾向。檢驗證實實際接頭熔合區(qū)只在局部區(qū)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應力熱處理條件時可熔合區(qū)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有顯著的氫、碳向馬氏體帶擴散和集聚從接用材,并要求小線能量、直道焊、短弧焊工藝。試而加劇材質(zhì)脆性的問題顯微硬度數(shù)據(jù)也證實凸氏驗和實踐證實N是抗穿晶型應力(下轉(zhuǎn)第59頁第20卷第10期壓力容器總第131期4個功能按鈕。用戶可以按照探傷的過程要求,選參考文獻擇不同的功能按鈕。如用戶對缺陷定位在正確選擇探傷工藝規(guī)范和確定是缺陷信號的前提下點擊[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"按鈕進入缺陷定位界面用戶只需波探伢J]無損探傷996(3)輸入探傷聲程、K值以及系統(tǒng)規(guī)定的各項參數(shù)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(nèi)如圖5所示。電力2002(3)5結論[4]陳建忠史耀武超聲檢測過程地數(shù)字模攬J].無損檢測20012x5)1胲該專家系統(tǒng)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問題實現(xiàn)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,專家系統(tǒng)M]成都成都科技大學出版2廨解決了缺陷信號識別難度大的問題使一般社1994.探傷人員通過專家系統(tǒng)的指導幫助就可勝任管座7]王耀南智能控制系統(tǒng)M]長沙湖南大學出版社1996角焊縫的探傷工作便于應用推廣,3)統(tǒng)實現(xiàn)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家系統(tǒng)[J1甘肅工業(yè)大學學報1994202)深度與長度的自動判定?！?)系統(tǒng)的知識庫還不夠豐富充實對缺陷定收稿日期200-05-29性還不能給出合理的解釋。目前正在深入開展這作者簡介陳漢1977-)男碩士研究生從事鍋爐壓力方面的研究工作使該系統(tǒng)不斷完善。容器無損檢測方向研究上接第5頁腐蝕開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裂沿晶兩種類型的應力腐蝕開裂。哈爾濱焊接研究所的發(fā)生擔鎳過多反而容易發(fā)生沿晶型應力腐蝕開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(qū)處于焊接殘余的作用避免將內(nèi)取熱器入口側彎管和盤管對接接應力、接頭應力集中和結構應力集中重疊區(qū)導致脆頭置于結構應力集中區(qū)性、沿晶、NaOH引起的應力腐蝕開裂。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(nèi)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管相連的異質(zhì)合金焊接接頭主裂紋起始1989.1于內(nèi)壁環(huán)縫根部沿接頭熔合區(qū)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應力腐作者簡介李波1970-)車間設備主任工程師通訊地址蝕開裂敏感的高鎳焊材異質(zhì)接頭管內(nèi)存在結垢和吉林石化公司。