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(yīng)力水平等是導(dǎo)致?lián)Q熱管產(chǎn)生沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的關(guān)鍵因素關(guān)鍵詞內(nèi)取熱器匯5M鋼管應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂異質(zhì)接頭同質(zhì)接頭中圖分類號(hào):Q051.5Q050.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào):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(wàn)噸常壓渣油重催裝置內(nèi)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(duì)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(jìn)行試驗(yàn)分析熱負(fù)荷由22t/h增加至29~30th內(nèi)取熱器基本情況2檢測(cè)和試驗(yàn)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(yàn)漿發(fā)生器生產(chǎn)的飽和蒸汽加熱為過(guò)熱蒸汽供給廠中國(guó)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(pán)管式結(jié)構(gòu)換熱管規(guī)取CNMH的焊接接頭區(qū)(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(nèi)墅斥假處,沿環(huán)縫熔合區(qū)或焊式換熱管長(zhǎng)約100m換熱面積28m2。其運(yùn)行參數(shù),縫金屬由內(nèi)向外擴(kuò)展(主裂紋大多位于環(huán)縫盤(pán)管側(cè)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(dòng)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(kāi)裂。破裂區(qū)管狀各異的溝槽和凹坑見(jiàn)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(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(nèi)取熱器換熱管破裂位置換熱管破裂區(qū)焊縫為現(xiàn)場(chǎng)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(xué)成分分析表1換熱管破裂區(qū)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(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(jié)果3、4為裂紋前緣機(jī)械打斷后新鮮斷口表面能譜分析結(jié)果換熱管破裂區(qū)母材及焊縫化學(xué)成分見(jiàn)表1。顯表2換熱管接頭區(qū)各部位顯微硬度測(cè)試結(jié)果(HV然現(xiàn)場(chǎng)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(guān)工藝。母材區(qū)362292292.3換熱管破裂區(qū)及其附近壁厚測(cè)量熔合線母材側(cè)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(cè)18817217202|017216826馬氏體帶)焊縫金屬中心)232162448.4~9.2m,遠(yuǎn)離斷囗處壁厚8.5~9.5mm。上述壁厚測(cè)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(cè)熔合區(qū)擴(kuò)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(cè)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(qū)組織為貝氏體:熔合區(qū)焊縫側(cè)馬氏體帶沿熔合區(qū)從裂紋試樣2*一側(cè)焊根處主裂紋沿熔合線擴(kuò)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(cè)衍生出許多沿晶發(fā)展的微mn,熔合區(qū)附近未見(jiàn)明顯增、脫碳現(xiàn)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(kuò)換熱管接頭區(qū)各部位顯微硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。展并終止于焊趾區(qū),該段主裂紋也向奧氏體焊縫側(cè)衍生出許多沿晶界發(fā)展的微裂紋另側(cè)焊根裂紋沿焊縫奧氏體晶界形成和擴(kuò)展(見(jiàn)圖62.6斷口覆蓋物微區(qū)成分分析對(duì)管內(nèi)羔物成分分析表明,其中含有約1%的行中國(guó)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掃描實(shí)際是針對(duì)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(cè)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、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(kuò)展裂紋多分枝屬脆性、沿晶開(kāi)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(jiàn)內(nèi)取熱器入口附近換熱管破裂具有NaOH引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征3.2關(guān)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(cè)主裂紋及分支微裂紋形貌高鎳焊材 Inconel屏質(zhì)接頭的應(yīng)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(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(yīng)力腐蝕開(kāi)裂在國(guó)外已多有報(bào)研究表明高鎳合金接頭對(duì)C!誘發(fā)的沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂具有很強(qiáng)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(yīng)力腐蝕開(kāi)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(cè)分支微裂紋形貌恰好位于其運(yùn)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(fù)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(jié)垢和NaOH濃縮的因素;此外破裂區(qū)又是焊接殘余應(yīng)力、接頭應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中彎頭與盤(pán)管連接圖6裂紋試樣2#左側(cè)焊根奧氏體焊縫沿晶裂紋形貌點(diǎn)腫疊區(qū)等多種因素的綜合作用導(dǎo)致?lián)Q熱管產(chǎn)生沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。討論4預(yù)防內(nèi)取熱器換熱管破裂的途徑3.1關(guān)于內(nèi)取熱器換熱管破裂的性質(zhì)討論從化學(xué)分析結(jié)果看(見(jiàn)表1),破裂區(qū)接頭為高(1痖應(yīng)改善換熱管內(nèi)汽水質(zhì)量減少?gòu)钠鼇?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(duì)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(jié)垢消除堿液(NaOH等)濃縮集聚夠抑制熔合區(qū)焊縫側(cè)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(yán)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(yīng)力熱處的傾向。檢驗(yàn)證實(shí)實(shí)際接頭熔合區(qū)只在局部區(qū)域理中國(guó)煤化工直與母材相當(dāng)?？吹今R氏體帶其最大寬度僅為12.5mm而大部分CNMHG應(yīng)力熱處理?xiàng)l件時(shí)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(yīng)力腐蝕性能強(qiáng)的高鎳合金焊材作為焊接頭中沒(méi)有顯著的氫、碳向馬氏體帶擴(kuò)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(wèn)題顯微硬度數(shù)據(jù)也證實(shí)凸氏驗(yàn)和實(shí)踐證實(shí)N是抗穿晶型應(yīng)力(下轉(zhuǎn)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。用戶可以按照探傷的過(guò)程要求,選參考文獻(xiàn)擇不同的功能按鈕。如用戶對(duì)缺陷定位在正確選擇探傷工藝規(guī)范和確定是缺陷信號(hào)的前提下點(diǎn)擊[1]蔣云.60N超臨界機(jī)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(tǒng)規(guī)定的各項(xiàng)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(jì)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(jié)論[4]陳建忠史耀武超聲檢測(cè)過(guò)程地?cái)?shù)字模攬J].無(wú)損檢測(cè)20012x5)1胲該專家系統(tǒng)解決了管座角焊縫單側(cè)探傷的[5] Schmitz v, Walte F, Chakhloy sv..3 D Ray Tracing ir問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了在支管和主管面雙側(cè)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(duì)缺陷的準(zhǔn)確定位。[6]馬玉祥武波,專家系統(tǒng)M]成都成都科技大學(xué)出版2廨解決了缺陷信號(hào)識(shí)別難度大的問(wèn)題使一般社1994.探傷人員通過(guò)專家系統(tǒng)的指導(dǎo)幫助就可勝任管座7]王耀南智能控制系統(tǒng)M]長(zhǎng)沙湖南大學(xué)出版社1996角焊縫的探傷工作便于應(yīng)用推廣,3)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(xué)學(xué)報(bào)1994202)深度與長(zhǎng)度的自動(dòng)判定?！?)系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)還不夠豐富充實(shí)對(duì)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(tǒng)不斷完善。容器無(wú)損檢測(cè)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(yīng)力腐蝕開(kāi)裂沿晶兩種類型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。哈爾濱焊接研究所的發(fā)生擔(dān)鎳過(guò)多反而容易發(fā)生沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)為此研制的高鎳抗應(yīng)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(qiáng)制組裝及結(jié)構(gòu)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(cè)彎管和盤(pán)管對(duì)接接應(yīng)力、接頭應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中重疊區(qū)導(dǎo)致脆頭置于結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)性、沿晶、NaOH引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。5避免在較低溫度下(室溫蹣負(fù)荷使用特別參考文獻(xiàn)應(yīng)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(jié)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(pán)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(guó)煤化工町M1航空工業(yè)出版社晶界擴(kuò)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(duì)NaOH應(yīng)力腐作者簡(jiǎn)介李波1970-)車(chē)間設(shè)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(nèi)存在結(jié)垢和吉林石化公司。