锅炉给水预热器渗漏原因分析

罗传武

（中海石油建滔化工有限公司）

中海石油建滔化工有限公司日产2kt 甲醇装置采用德国LURGI 公司低压合成甲醇生产工艺， 其中的高压锅炉给水预热器 （E-01005）于2006 年投用， 设备采用U 形管换热器、 立式布置， 在运行过程中，E-01005 壳体发生渗漏现象，严重影响了装置的安全生产。 为此，笔者结合设备结构、材料和工艺，初步分析了渗漏原因。

1 工艺简介

高压锅炉给水预热器（E-01005）为LURGI 公司低压合成甲醇生产工艺转化部分的预热回收设备。 来自蒸汽转化炉（B-01001）转化气（880℃、2.05MPa）以309.27Nm3/h 速度依次通过废热锅炉（E-01003）、天然气预热器（E-01004），加热锅炉水和天然气，转化气参数变为328℃、1.99MPa，然后通过E-01005 将来自高压锅炉给水泵（P-01501A）120℃的锅炉水加热到245℃， 而转化气自身的温度降到151℃。 高压锅炉给水预热器工艺参数见表1。

2 问题描述

2013 年9 月，工艺反映可能有来自高压锅炉给水预热器E-01005 的锅炉水泄漏到转化气中，2014 年10 月18 日工艺巡检发现E-01005 壳体外部保温层处出现渗水现象，将保温层拆除后发现在入口管箱纵向焊缝处有泄漏，目视该焊缝热影响区存在一条可见裂纹（图1），装置紧急停车、置换交出检修。

2014 年10 月18 日 停 车 检修，20 日 开 始 从筒体外壁对焊缝做100%超声波、磁粉探伤，未发现其他缺陷，于是决定将原裂纹打磨后开始补焊修复。 经过打磨，发现在裂纹延伸方向一直有裂纹，一直磨到约700mm 长（图2）。 裂纹上部直到管箱筒体的环焊缝， 且沿着环焊缝上继续打磨，还有裂纹； 在垂直于纵向裂纹的方向也有裂纹，最长的达200mm（图3）。

表1 高压锅炉给水预热器工艺参数

图1 管箱泄漏的纵焊缝

图2 管箱筒体打磨后的纵焊缝与环焊缝

图3 管箱筒体上垂直于纵焊缝的横裂纹

管箱内部检查，在不锈钢衬里上发现大量龟裂纹（图4），在管板与筒体的环焊缝上也有裂纹，局部打磨补焊的方案改为挖补（图5），继续打磨后确定挖补范围是700mm×800mm， 筒体其他部位裂纹（细小裂纹深度大约5～7mm）打磨修补。管板堆焊层与换热管裂纹如图6、7 所示。

图4 管箱内部复板裂纹

图5 筒体裂纹挖补方案

图6 管板堆焊层裂纹

图7 换热管裂纹

3 原因分析

高压锅炉给水预热器E-01005 于2006 年投用，2010 年装置大修期间定期检验未发现异常，2013 年1 月大修期间宏观检查未发现异常。该设备的管箱采用爆炸复合板， 基板材料为15CrMoR，厚22mm，复板材料为0Cr18Ni10Ti，厚3mm。 管板材料为12Cr2Mo1 Ⅳ，厚392mm；堆焊层材料为0Cr18Ni10Ti，厚8mm。

当换热管先于管箱开裂导致高压锅炉水泄漏时，从换热管泄漏至管箱的高压水接触到管箱内壁时，造成复板和基板之间瞬态温差，产生的热应力超过材料的强度极限， 导致萌生裂纹，有多条裂纹同时产生、扩展汇合，使管箱复板产生大面积龟裂纹；在复板裂纹尖端局部应力集中处裂纹扩展至基板，致使基层材料也出现裂纹。

经观察， 基板泄漏是从管箱的纵焊缝开始的， 基板焊缝和热影响区是抗氢蚀的薄弱部位，焊缝对氢蚀的敏感均比母材高，氢分子尤其是氢原子有很高的扩散率，在300℃时，铁晶格中扩散率近14-4cm2/s，在高温时由于氢分子的分解，焊接质量不高的焊缝处的气孔、不连续处和夹杂物就成为氢和甲烷聚集的场所，由于甲烷不能从钢中扩散出去，所以在内部形成高压，在焊缝不够致密处造成裂纹（图1）。

由于换热管已经泄漏，因此管箱内的环境为湿的腐蚀性气体，氢气在此环境中经过电化学反应生成氢原子， 这些氢原子渗透到钢中之后，使钢材晶粒间的原子结合力降低，即发生氢脆（一次脆化、可逆），破坏了钢的晶格。 进而在高氢分压的状态下，氢原子和氢分子通过晶格和晶间向内扩散，这些氢与钢中的碳化物（渗碳体）发生化学反应生成甲烷（Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4），造成钢内部脱碳，甲烷气体不能从钢中扩散出去而聚集在晶间形成局部高压，造成应力集中，晶间变宽，致使产生微小裂纹（氢致裂纹），即发生氢蚀（不可逆、材料脆化），随着时间的延长，这些裂纹逐渐相连，使钢材的强度和韧性下降而失去原有的塑性而变脆。

4 结论及建议

经分析，预热器渗漏的原因是发生氢蚀（不可逆、材料脆化），致使产生微小裂纹（氢致裂纹）。 为此，针对后续生产提出以下建议：

a. 现有检漏阀门不能关闭，建议引至高处放空。 减少泄漏气体在304 贴衬板与管箱母材之间的积聚，产生额外的应力、加剧衬里新焊缝的损坏、进而加剧母材（15CrMoR）的氢蚀。

b. 管箱母材（15CrMoR）的强度已经有所下降，不符合GB/T 150/151 标准的要求，但是生产还要继续， 为解决合规使用和安全使用问题，建议请专业技术机构做合于使用的评价。

c. 压力容器的维修单位在维修施工前未及时办理维修告知及申请监督检验，说明压力容器的安全监督、检验有待加强，使用单位的督促力度有待提升。

d. 为尽快恢复生产，压力容器管板、管箱裂纹未处理完毕，维修后未进行耐压试验就匆忙投入使用，反映使用单位压力容器的使用管理法律意识有待提升、安全意识有待落实。