合成氨裝置氨冷凝器換熱管應(yīng)力腐蝕裂紋失效分析

王會(huì)朋

【摘 要】通過對(duì)氨冷凝器換熱管應(yīng)力腐蝕泄漏的失效分析，并提出了相應(yīng)的防范措施。

【關(guān)鍵詞】氨冷凝器；換熱管；應(yīng)力腐蝕；防范措施

1、故障概況及經(jīng)過

近幾年氨合成工藝一直在向大型化方向發(fā)展，2010我公司為某化工公司設(shè)計(jì)制造一套20萬噸/年合成氨、40萬噸/年尿素裝置，該裝置所使用的氨冷器采用U型換熱管形式，管束總長(zhǎng)9700mm，管束直徑Φ1600，換熱管彎曲半徑R120mm（符合標(biāo)準(zhǔn)要求）[1]，管程換熱管規(guī)格Φ24×4.5，材質(zhì)20號(hào)鋼，標(biāo)準(zhǔn)：GB9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》，管板規(guī)格δ，材質(zhì)20MnMoⅣ，換熱管與管板采用焊接方式連接。合成氨裝置氨冷凝器的作用是利用殼程低壓低溫的液態(tài)氨水揮發(fā)氣化吸熱從而使管程的高壓混合器降溫，利用氨氣在低溫、高壓下易于液化的原理，從而使氨氣液化分離出來。

換熱器服役工藝條件獲得的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

此設(shè)備我公司于2011年4月制作完成交付用戶使用，2012年3月用戶反映換熱管過出現(xiàn)泄漏，此后安排人員進(jìn)行了2次堵管，共堵管83支（此設(shè)備共有換熱管773支）。

由于設(shè)備使用時(shí)間較短，堵管已超過10%，已經(jīng)影響了氨冷凝器的能力，經(jīng)討論，決定立即著手重新制作一臺(tái)設(shè)備，進(jìn)行替換。2012年9月我公司為客戶重新制作一臺(tái)替換泄漏的設(shè)備，換熱管材質(zhì)由20號(hào)鋼改為10號(hào)鋼標(biāo)準(zhǔn)GB9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》，換熱管與管板的連接方式改為焊接+強(qiáng)度脹接。

2、故障原因及失效機(jī)理分析

2.1泄漏分析

對(duì)換熱器進(jìn)行解體后，對(duì)換熱管進(jìn)行水壓試驗(yàn)。可觀察到換熱管與管板接觸部位有泄漏現(xiàn)象。

對(duì)泄漏處的換熱管表面進(jìn)行磁粉（或滲透檢測(cè)）可觀察到：有部分穿孔。

2.2換熱管材質(zhì)化學(xué)分析

對(duì)損傷部位附近基體進(jìn)行切塊取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析。表1列出了所測(cè)得母材與焊絲的化學(xué)元素含量，經(jīng)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的元素含量對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，所有化學(xué)元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除材料成分不合格的因素。

3、故障原因分析

低溫工作環(huán)境下金屬材料的性質(zhì)較常溫工作環(huán)境有很大的變化，金屬材料能否在低溫下使用，主要是取決于他在低溫下是否有足夠的塑性和韌性。

碳鋼及低合金鋼等鐵素體類型鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、比例極限、彈性極限、硬度、彈性模數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的降低而增大，延伸率、斷面收縮率、沖擊值、膨脹系數(shù)、比熱則隨溫度的降低而減小。

合金元素對(duì)鐵素體鋼的性能影響很大。如碳含量的增大，可使機(jī)械性能強(qiáng)度增大，沖擊值減小。如含有鎳、錳、鉻、釩、鉬等元素時(shí)，即能改善低溫下的沖擊韌性，其中以含鎳的效果最顯著，隨著鎳含量的增大，剛在低溫下的沖擊值亦增大。

當(dāng)使用溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，鐵素體鋼的韌性極具下降，鐵素體鋼制容器會(huì)以脆性破壞形式破裂，破裂往往發(fā)生在沒有變形或很小變形的情況下。為了避免發(fā)生低應(yīng)力脆性破裂，除要求使用溫度必須高于轉(zhuǎn)變溫度外，還要求容器和構(gòu)件的幾何形狀沒有突變，以及沒有缺口、裂紋等缺陷[2]。

4、失效分析結(jié)論

換熱管與管板在焊接過程，焊前預(yù)熱溫度不夠，導(dǎo)致管板母材內(nèi)氫離子未能完全釋放，20號(hào)材質(zhì)鋼管在-15℃環(huán)境工況下，韌性變低，換熱管與管板焊后存在應(yīng)力，同時(shí)管板與換熱管之間存在間隙，兩者均未能消除；由于低溫、應(yīng)力、間隙、氫離子的共同存在導(dǎo)致了與管孔內(nèi)換熱管及管板與換熱管焊接接頭處被應(yīng)力腐蝕破壞，產(chǎn)生泄漏。

5、防范措施

改變換熱管材質(zhì)：換熱管材質(zhì)由20號(hào)材質(zhì)改為10號(hào)鋼材質(zhì)。

改變換熱管與管板間連接方式：換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)改為脹焊并用結(jié)構(gòu)形式。

焊前預(yù)熱檢查，焊后熱處理，氨滲檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB151-1999，管殼式換熱器[ S ].

[2] 深冷手冊(cè)