天然氣制氫裝置廢熱鍋爐管板典型裂紋原因分析及修復(fù)

肖元超，吳磊，張麗

（1.山東明潤特種裝備有限公司；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院，山東 棗莊 277100）

天然氣制氫裝置廢熱鍋爐管板典型裂紋原因分析及修復(fù)

肖元超1，吳磊2，張麗1

（1.山東明潤特種裝備有限公司；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院，山東 棗莊 277100）

某公司制作的天然氣制氫裝置天然氣轉(zhuǎn)化工段用廢熱鍋爐，在使用過程中其高溫端管板（材質(zhì) 15CrMoIII）與換熱管束（材質(zhì) 15CrMo）端部焊縫及管板出現(xiàn)多處裂紋，長度約 50mm左右，內(nèi)部出現(xiàn)滲漏，設(shè)備無法正常運(yùn)行。通過現(xiàn)場勘查、圖紙設(shè)計、管板材質(zhì)以及對廢熱鍋爐制造過程分析等，確定廢熱鍋爐管板上的這些裂紋屬高溫回火脆性開裂，導(dǎo)致介質(zhì)滲漏，并提出了相對可行的的修復(fù)措施。

廢熱鍋爐；15CrMo；高溫回火；脆性開裂；原因分析；修復(fù)

1 情況簡介

某壓力容器制造單位為山東某公司 50000噸 /年針狀焦生產(chǎn)線天然氣制氫裝置制造了一臺廢熱鍋爐（相關(guān)技術(shù)特性表見表 1），設(shè)備長度 10m，共分高溫段、低溫段兩部分，是天然氣轉(zhuǎn)化工段的關(guān)鍵設(shè)備。

在設(shè)備運(yùn)行 4個月后，高溫端換熱管（φ38×3.5材 質(zhì)：15CrMo） 與 管 板（φ1306×150材 質(zhì)：15CrMoⅢ）焊縫處、換熱管端部及管板多處裂紋，長度約 50mm左右（圖1、2），內(nèi)部出現(xiàn)滲漏，設(shè)備無法正常運(yùn)行，情況較嚴(yán)重。

圖1 打磨后單孔裂紋形貌

圖2 打磨后部分裂紋分布位置

2 原因分析

2.1 現(xiàn)場勘查

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，焊縫裂紋沿?fù)Q熱管與管板焊縫縱向開裂，長度約 50mm。該管板側(cè)共有 70個焊接接頭，出現(xiàn)裂紋的接頭共 18處。同時，現(xiàn)場清理下來的預(yù)制塊有明顯的裂紋痕跡，且預(yù)制塊厚薄不一，耐火澆注料在使用過程中有脫落的痕跡。

2.2 設(shè)計方面

查 閱 GB150.2-2011，15CrMo鋼 管、 管 板 鍛 件最 高 使 用 溫 度 均 為 550℃，OCr25Ni20換 熱 管 套 管(φ25×2 L=400)最高使用溫度 800℃，圖紙設(shè)計不符合 GB150.2-2011規(guī)定要求。另一方面，管程低溫端、高溫端耐火澆注料相同；換熱管、管板材質(zhì)相同，均為15CrMo鋼材，規(guī)格厚度相同，圖紙技術(shù)特性表中列明，管程低溫端工作溫度 350～ 500℃，在 15CrMo鋼材最高使用溫度 550℃以下。管程低溫端換熱管端部及管板未開裂，使用正常。管箱、管板處搪制了耐火材料，采取了一定的隔熱措施，如果耐火澆注料能將管箱、換熱管與管板溫度控制在 550℃以下，則設(shè)計方面沒有問題。

2.3 相關(guān)化驗(yàn)與測試

母材成分化驗(yàn)。鋼板到廠后，公司對該批材料包括 15CrMoIII管板都做了復(fù)驗(yàn)，其中 C、Cr、Mo等關(guān)鍵元素指標(biāo)符合 NB/T47008-2010的要求，其中 C元素實(shí)測最大含量為 0.15%，低于標(biāo)準(zhǔn)限值 0.18%。此次特意用光譜分析儀對焊縫兩邊母材現(xiàn)場測試，結(jié)果符合要求（表2）。

硬度測試。對裂紋部位的母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測試，均在正常范圍內(nèi)。

表1 廢熱鍋爐相關(guān)技術(shù)特性及要求

表2 光譜分析結(jié)果

厚度測試。對焊縫及熱影響區(qū)各個部位進(jìn)行超聲波厚度測試。測厚數(shù)據(jù)表明，最小厚度可以保證設(shè)備所需最小壁厚。

2.4 廢熱鍋爐制造過程中焊接、熱處理分析

該廢熱鍋爐于 2015年 8月制作完成。焊接方法采用焊條電弧焊，為了保證焊縫質(zhì)量，需將 R307焊條(直徑 2.5mm)烘干溫度 305～ 400℃，保溫 1～ 2h，以保證焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量為最低。烘好的焊條放入保溫筒，隨取隨用，按照圖紙以及設(shè)計文件要求，換熱管與管板焊接后應(yīng)立即進(jìn)行后熱（消氫）處理，并進(jìn)行局部熱處理，熱處理使用履帶式電加熱帶，換熱管與管板焊接后用液化氣噴火槍加熱到后熱（消氫）處理溫度 300℃、局部熱處理溫度 650℃，持續(xù)加熱 0.5h左右后，用巖棉硅酸鋁保溫，這樣符合后熱（消氫）處理、局部熱處理規(guī)范要求。

2.5 高溫回火脆性開裂

本臺設(shè)備中涉及的 15CrMo鍛件在服役過程中，由于預(yù)制脫落不能對管板進(jìn)行有效保護(hù)，使其在 650℃以上的高溫環(huán)境中長期服役（時效）中產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，也稱為第二種回火脆性，符合偏聚理論。

綜上所述，一般來說，高溫回火脆性會導(dǎo)致管板開裂，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況和以上分析可以看出，該裂紋屬高溫回火脆性開裂，預(yù)制過程存在明顯問題。設(shè)備使用過程中，預(yù)制脫落造成 15CrMoIII管板長期在高溫中服役是產(chǎn)生管板開裂的主要原因。

3 現(xiàn)場修復(fù)措施

現(xiàn)場制定的裂紋修復(fù)措施主要包括：（1）結(jié)合表面無損檢測，準(zhǔn)確找到焊縫位置及分布，然后用氣刨深挖裂紋處，焊接前清理焊道裂紋兩側(cè)。（2）焊前預(yù)熱 ,在焊接中坡口兩側(cè)不小于 200mm范圍的溫度不得低于 150℃。管板加熱到 180℃后用巖棉保溫緩冷。預(yù)熱過程隨時測溫，保證預(yù)熱溫度的均勻性,溫度升至180℃后斷電進(jìn)行焊接。（3）采用手工焊，焊接參數(shù)嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，并嚴(yán)格控制焊接熱輸入，每條焊縫要一次焊完，中間不得停留，并嚴(yán)格控制道間溫度不低于150℃，否則應(yīng)重新進(jìn)行加熱。（4）焊縫焊完后立即進(jìn)行 250～ 300℃ ×2h的消氫處理，加熱到溫度后用巖棉進(jìn)行保溫，以降低擴(kuò)散氫含量，提高焊接接頭的沖擊韌度，避免延遲裂紋的產(chǎn)生。（5）焊縫焊接完畢，待24h后進(jìn)行磁粉檢測。

焊接裂紋修復(fù)后，有專業(yè)預(yù)制廠家按照有關(guān)技術(shù)要求對設(shè)備中已脫落預(yù)制及有脫落傾向的部分進(jìn)行了徹底修復(fù)，從而保證了 15CrMoIII的服役環(huán)境，使用近 1年來沒有再出現(xiàn)類似問題，運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

綜上所述，通過分析及修復(fù)過程可以得出，高溫回火脆性的發(fā)生主要和材料及其使用環(huán)境有很大關(guān)系，設(shè)計者在設(shè)計時要充分考慮工作參數(shù)，特別是最高工作溫度，選用合理的材料牌號，從而從源頭上消除高溫回火脆性的發(fā)生可能性。同時，制造者應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)要求，保證材料使用的正確性，提高焊接、預(yù)制、消除應(yīng)力的工藝執(zhí)行力，從而保證具有高溫回火脆性斷裂傾向設(shè)備的整體產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]TSG 21-2016. 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [ S].

[2]NB/T47015-2011. 壓力容器焊接規(guī)程 [ S].

[3]NB/T47014-2011. 承壓設(shè)備焊接工藝評定 [ S].

TQ050

A

1671-0711（2017）07（下）-0032-02