油浆蒸汽发生器泄漏失效分析

摘 要：利用失效分析的方法，对重油催化油浆蒸汽发生器管板开裂现象进行了管板化学成分、宏观、微观断口形貌及裂口腐蚀产物分析。得出疲劳和应力腐蚀共同作用引起重催油浆蒸汽发生器管板的开裂，并提出改进措施。

关键词：油浆蒸汽发生器；管板开裂；应力腐蚀

某公司重油催化装置4台油浆蒸汽发生器于2013年8月投入运行。换热器型号为BJS1600-4.32/5.4-678-7.5/32-6I，壳程材质为Q345R，管板材质为16MnⅥ，管子材质为10号钢；壳程介质为饱和蒸汽和水，其操作压力为4.6MPa，操作温度为259℃；管程介质为油浆，其操作压力为1.0Mpa，操作温度为321℃。2013年10月换热器相继出现管束管头焊缝开裂，2014年5月更换后换热器管束再次出现管束管头开裂现象。

油浆蒸汽发生器是催化裂化装置中的关键节能设备，其管板开裂导致蒸汽泄漏到油浆之中，造成了生产的大幅度波动。因此，对油浆蒸汽发生器管板开裂原因进行分析并提出有效的预防措施是很有必要的。

1 试验与分析

1.1 管板化学成分分析

对管板及管子截取化学成分分析试样，分析结果见表1。管板及管子材质的各元素质量分数均在国际标准值内。

表1 管板及管子化学成分分析（Wt%）

1.2 宏观断口形貌分析

分别对换热器固定管板和浮动管板的管程侧表面进行表面PT检查，检查发现固定管板上的裂纹主要集中在Ⅳ程出口和Ⅴ程入口，浮动管板上的裂纹主要集中在Ⅲ程出口和Ⅳ程入口，出现裂纹的部位相对集中于管程的边缘处。

油浆蒸汽发生器不带角焊缝裂纹局部的宏观形貌如图1所示。油浆蒸汽发生器带角焊缝裂纹局部的宏观形貌如图2所示。裂纹断裂面的宏观形貌如图3所示。

从图1可以看出，裂纹分布于管桥、管板和换热管板孔内。图2中裂纹大多数位于角焊缝上，也有穿过角焊缝在管桥上的，角焊缝上的裂纹既有径向，也有环向。

从图3中可观察到断口腐蚀较严重，断裂面较平整，表现出脆性开裂特征。

图3 裂纹断裂面宏观形貌

1.3 微观断口形貌分析

对管桥裂纹断口用扫描电镜进行微观分析，由于断裂面腐蚀严重，只能在裂纹尖端附近局部区域观察到裂纹，主要为解理脆性开裂（见图4）。

图4 管桥裂纹断裂面微观形态

选取管桥裂纹垂直截面进行金相分析（见图5），裂纹由焊缝处启裂，穿过热影响区已进入管板母材。裂纹的微观形貌以穿晶扩展为主，局部有沿晶特征。

分析发现裂纹的断裂面主要启裂于角焊缝处，开裂主要是从管板的焊缝处启裂，即管程侧开裂，但也有从壳程侧启裂的。由于裂纹为树枝状，且裂纹末端十分尖锐。因此，应力腐蚀是管板开裂的重要原因。

图5 管桥裂紋微观形态

1.4 裂纹断口腐蚀产物分析

用X射线能谱仪对裂纹断口进行腐蚀产物分析，分析结果见表2。分析结果表明，断口上有钠、氧、硫等腐蚀性元素，其中在每个分析面上均有O和Na的存在

表2 裂纹断口主要元素分析（w%）

2 开裂原因

从分析结果可见，管板开裂既有从管程侧启裂的也有从壳程侧启裂的。导致管板开裂的原因总结起来主要有以下几个方面：

（1）由壳程介质（脱氧水）引起的碱应力腐蚀开裂。此种开裂均由壳程侧管板与管子连接角焊缝根部启裂。由于壳程介质是蒸汽与水的混合物。气-液两相流是非理想化上的横向流动的流型。不稳定的流动将会诱发振动导致管子从管孔中松脱，使得管子与管板间产生了缝隙，壳程介质（脱氧水）渗入缝隙中，运行过程中缝隙中的碱浓度不断浓缩升高，导致焊缝根部在高温碱环境下发生碱应力腐蚀开裂并不断扩展，直至穿透引起泄漏。造成管子与管板贴合不良的原因是由于胀管质量欠佳。

（2）由于蒸汽发生器中气泡破裂产生的爆破力和蒸汽流动对管束造成循环交变载荷诱发振动。在管束与管板应力集中处易产生疲劳微裂纹。泄漏的油浆进入微裂纹产生应力腐蚀开裂。管板在疲劳微裂纹处和应力集中处，在管板的温差应力、气泡的爆破力、焊接残余应力、流体诱发的振动相互叠加的作用下，在高温重油硫化氢腐蚀环境下发生应力腐蚀。

（3）油浆蒸汽发生器是在疲劳破坏和应力腐蚀的双重作用下发生失效的。管子的振动，温差应力等促进了疲劳，疲劳加速了应力腐蚀开裂，使得管子快速开裂引起失效。

3 改进措施

针对管板开裂的原因，提出以下三点改进措施：减小换热管无支撑跨距，增加换热管许用压缩应力；换热管与管板的连接结构从强度焊+贴胀更改为强度焊+强度胀，阻止腐蚀介质进入管板与换热管连接处；提高工艺操作稳定性，避免剧烈温度波动，防止管束振动。

参考文献

[1]沈书乾.油浆蒸汽发生器管板开裂原因分析[J].石油和化工设备，2004，7（6）：55-57.

[2]张明广.油浆蒸汽发生器管板裂纹成因分析[J].化工设计，2002，12（5）：36-37.

[3]孙毅，郭建，乔文山.催化裂化油浆蒸汽发生器的技术改造[J].石油化工设备，2000，21（5）：9-11.

作者简介：张一帆（1988-），男，安徽省安庆市人，工作单位：中国石油化工股份有限公司安庆分公司，职务：助理工程师，研究方向：石油化工设备管理。