合成氨装置氨冷凝器换热管应力腐蚀裂纹失效分析

王会朋

【摘 要】通过对氨冷凝器换热管应力腐蚀泄漏的失效分析，并提出了相应的防范措施。

【关键词】氨冷凝器；换热管；应力腐蚀；防范措施

1、故障概况及经过

近几年氨合成工艺一直在向大型化方向发展，2010我公司为某化工公司设计制造一套20万吨/年合成氨、40万吨/年尿素装置，该装置所使用的氨冷器采用U型换热管形式，管束总长9700mm，管束直径Φ1600，换热管弯曲半径R120mm（符合标准要求）[1]，管程换热管规格Φ24×4.5，材质20号钢，标准：GB9948-2006《石油裂化用无缝钢管》，管板规格δ，材质20MnMoⅣ，换热管与管板采用焊接方式连接。合成氨装置氨冷凝器的作用是利用壳程低压低温的液态氨水挥发气化吸热从而使管程的高压混合器降温，利用氨气在低温、高压下易于液化的原理，从而使氨气液化分离出来。

换热器服役工艺条件获得的技术参数如表1所示。

此设备我公司于2011年4月制作完成交付用户使用，2012年3月用户反映换热管过出现泄漏，此后安排人员进行了2次堵管，共堵管83支（此设备共有换热管773支）。

由于设备使用时间较短，堵管已超过10%，已经影响了氨冷凝器的能力，经讨论，决定立即着手重新制作一台设备，进行替换。2012年9月我公司为客户重新制作一台替换泄漏的设备，换热管材质由20号钢改为10号钢标准GB9948-2006《石油裂化用无缝钢管》，换热管与管板的连接方式改为焊接+强度胀接。

2、故障原因及失效机理分析

2.1泄漏分析

对换热器进行解体后，对换热管进行水压试验。可观察到换热管与管板接触部位有泄漏现象。

对泄漏处的换热管表面进行磁粉（或渗透检测）可观察到：有部分穿孔。

2.2换热管材质化学分析

对损伤部位附近基体进行切块取样，进行化学成分分析。表1列出了所测得母材与焊丝的化学元素含量，经与相关标准规定的元素含量对比后发现，所有化学元素含量均符合标准要求，排除材料成分不合格的因素。

3、故障原因分析

低温工作环境下金属材料的性质较常温工作环境有很大的变化，金属材料能否在低温下使用，主要是取决于他在低温下是否有足够的塑性和韧性。

碳钢及低合金钢等铁素体类型钢的抗拉强度、屈服強度、比例极限、弹性极限、硬度、弹性模数、导热系数随温度的降低而增大，延伸率、断面收缩率、冲击值、膨胀系数、比热则随温度的降低而减小。

合金元素对铁素体钢的性能影响很大。如碳含量的增大，可使机械性能强度增大，冲击值减小。如含有镍、锰、铬、钒、钼等元素时，即能改善低温下的冲击韧性，其中以含镍的效果最显著，随着镍含量的增大，刚在低温下的冲击值亦增大。

当使用温度低于转变温度时，铁素体钢的韧性极具下降，铁素体钢制容器会以脆性破坏形式破裂，破裂往往发生在没有变形或很小变形的情况下。为了避免发生低应力脆性破裂，除要求使用温度必须高于转变温度外，还要求容器和构件的几何形状没有突变，以及没有缺口、裂纹等缺陷[2]。

4、失效分析结论

换热管与管板在焊接过程，焊前预热温度不够，导致管板母材内氢离子未能完全释放，20号材质钢管在-15℃环境工况下，韧性变低，换热管与管板焊后存在应力，同时管板与换热管之间存在间隙，两者均未能消除；由于低温、应力、间隙、氢离子的共同存在导致了与管孔内换热管及管板与换热管焊接接头处被应力腐蚀破坏，产生泄漏。

5、防范措施

改变换热管材质：换热管材质由20号材质改为10号钢材质。

改变换热管与管板间连接方式：换热管与管板焊接结构改为胀焊并用结构形式。

焊前预热检查，焊后热处理，氨渗检测。

参考文献：

[1] GB151-1999，管壳式换热器[ S ].

[2] 深冷手册