合成氨中置锅炉常见失效原因分析及改进措施探讨

高源 胡培远（阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司，山东 淄博 255436）

合成氨中置锅炉常见失效原因分析及改进措施探讨

高源 胡培远（阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司，山东 淄博 255436）

氨作为一种重要的化工原料，在化肥、轻工、医药、制冷剂等领域有着极为广泛的应用。合成氨是指在高温高压条件下，直接使用氢和氮原料合成氨的工艺，属于一种无机化工流程。中置锅炉是一种废热回收装置，因此也被称为废热锅炉。笔者从中置锅炉基本结构及工艺特点入手，就中置锅炉常见失效问题及成因进行了分析和探讨，并相应提出了几点改进措施，以供相关单位参考。

合成氨；中置锅炉；失效原因；改进措施；分析

工业合成氨工艺中，中置锅炉是一种废热回收装置，故而又被称为废热锅炉。中置锅炉主要通过管程吸收氨合成塔产生的混合气体的热量，对壳程中的水进行加热，以达到废热回收的目的。氨合成塔产生的混合气体主要由N2、H2以及NH3等气体组成，从氨合成塔出来时仍处于高温高压的状态，经中置锅炉回收后，可使合成气有效降温，同时利用余热产生副产蒸汽。但在实际应用过程中，中置锅炉失效问题时有发生。因此，对中置锅炉失效问题及成因进行分析，并探讨其改进措施，具有重要的现实意义。

1 废热锅炉基本结构及工艺特点分析

（1）废热锅炉基本结构

合成氨废热锅炉结构属于管壳式结构，通常具有两种形式，其一是联箱式，其二是管箱式。废热锅炉壳体主要由Q345R材质制成，列管则主要由OCr18Ni9Ti或10MoWVNb材质制成，详细结构如下图所示。

图一联箱式废热锅炉结构示意图

（2）废热锅炉工艺特点分析

由于废热锅炉管程及壳程通过的介质不同，其工艺特点及相关要求也具有较为明显的差异。废热锅炉壳程通过的工艺介质以软水和蒸汽为主，工作压力不得高于2.7MPa，工作温度不得高于225℃；废热锅炉管程通过的工艺介质是N2、H2以及NH3组成的混合气体，工作压力不得高于32MPa，工作温度不得高于375℃。

2 列管裂纹问题成因及控制措施分析

2.1 废热锅炉列管裂纹故障成因分析

废热锅炉列管裂纹问题多发生于列管设备弯头处。如某公司废热锅炉，设备规格为φ1400.0mm×14.0mm，有效换热面积34.0m2，列管使用10MoWVNb材质制成，壳程使用Q345R材质制成。设备投用三年时间内，因列管弯头裂纹导致的严重泄露故障6次，给企业的生产造成了巨大的不良影响；再如某公司废热锅炉，设备规格φ1800.0mm×16.0mm，有效换热面积108.0m2，列管使用10MoWVNb材质制成，壳程使用Q345R材质制成。该设备投入使用不足一年即发生换热管泄露失效故障，维修检查发现泄漏失效由于列管弯头裂纹失效导致。

废热锅炉列管裂纹故障成因，主要存在以下几点可能：一，废热锅炉制造过程中，使用的原始材料存在质量问题，包括化学成分不合格或存在超标缺陷等，导致的设备裂纹；二，设备使用过程中，受超压、超温条件影响，导致列管塑性变形超过列管承受极限导致的裂纹；三，废热锅炉列管弯管处理中，产生的残余应力导致列管弯头存在细小缺陷。设备在实际生产应用过程中，受工作应力及热应力影响，导致缺陷放大造成裂纹。

2.1.1 制造环节中的故障成因排查分析

上述故障实例中，废热锅炉列管均选用10MoWVNb材质制成，这种材料是我国自主研发的一种特殊钢材，具有抗氢腐蚀、耐热等优点，尤其在高压高温条件下，具有良好的抗腐蚀性。故障实例一中的公司在发现设备裂纹故障后，及对故障列管材料进行了取样分析，实验结果显示，故障列管中的S和P成分存在超标缺陷，故而初步判断故障是由于材料质量问题导致的。

2.2.2 设备应用环节中的故障排查分析

上述实例中，两个公司发现设备失效故障后，均对中央控制室中保存记录的废热锅炉工艺运行数据进行了分析，但均不存在超压或超温现象，可以排除受此影响造成设备失效的可能。随后对设备中通过的水质进行了取样检查，实例二中的公司存在水质合格率频繁波动的问题，相关人员又对故障列管进行腐蚀和结垢检查，虽然发现列管表面存在一定的结垢问题，但程度较为轻微，故而排除水质影响的可能。

2.2.3 列管处理故障成因排查分析

上述故障实例中，废热锅炉列管裂纹故障均发生于设备使用不久后，在故障检查过程中，公司维修人员对其他未泄露设备进行了渗透检测，检测结果显示，部分正常列管在弯头处存在微小裂纹。发现裂纹后公司立即与设备制造厂家取得了联系，联合检查后，判断设备裂纹失效故障与换热管冷弯处理有着直接的联系。

2.2 列管裂纹故障控制措施分析

对于10MoWVNb材质制成的列管而言，加强设备材料质量及制造质量控制，是避免设备裂纹失效故障的重要渠道。尤其是换热管弯头部位，受冷弯处理工艺影响，弯头处受到的应力最大，也最容易产生裂纹问题。

此外，就奥氏体不锈钢制成的废热锅炉而言，在水及蒸汽介质中，溶氧量和氯离子浓度也是相关企业需重点控制的指标，如列管表面存在点坑、缝隙等微小缺陷，就会导致氯离子的堆积，进而产生腐蚀裂纹等问题。通常情况下，腐蚀速率与温度间有着一定的联系，温度越高腐蚀速率越快。此外，在氯离子含量相对较少的高温水及热水环境中，氧含量的高低也是影响应力腐蚀破裂的主要因素，因此，控制降低水介质的溶氧量，也可达到减缓应力腐蚀发展的目的。

3 筒体及封头等部位裂纹失效故障及控制措施分析

部分废热锅炉筒体裂纹产生于壳程液位以下区域的环缝处，且裂纹垂直于焊缝，裂纹形状多表现为两头尖、中间粗，逐渐由焊缝向热影响区发展，也就是典型的应力腐蚀裂纹。

有上文介绍可得，废热锅炉壳程压力承受标准为2.7MPa，依据无力矩理论分析可得，锅炉的轴向应力应是环向应力的二分之一，而焊缝裂纹方向主要垂直于主应力方向，逐渐向母材区发展，并相应产生放射状的二次裂纹。

废热锅炉筒体裂纹的产生原因，主要分为以下几种可能：一，设计因素影响。通常情况下，筒体裂纹故障与设备进水管的布置设计间有着一定的联系，如进水管口设计位置过低，就可能受冷热介质接触产生的温度应力影响，导致裂缝的产生。因此，在设备设计阶段，应注意避免过低的进水管布置设计，同时避免进水管口与设备焊缝的直对设计；二，设备制造因素影响。设备制造质量不符合相关规范标准，是导致筒体裂纹的主要原因。因此，在设备制造过程中，除基础的应力消除处理外，还应对设备进行全面的整体应力消除热处理，以避免设备封头位置存在应力残余；三，使用因素影响。水质对于锅炉的使用有着直接的影响，在废热锅炉实际应用过程中，相关工作人员应重点加强水质的氯离子浓度和pH值控制，同时注意设备结垢清洗，以控制设备电化学腐蚀问题的发生。

4 结语

本文从废热锅炉基本结构和使用工艺要求入手，就其常见失效故障进行了分析。总的来说，相关企业在废热锅炉应用过程中，应全面加强设备质量控制和水质控制，规范使用操作，以避免失效故障的发生。

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