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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ ? 在用蒸汽发生器开裂原因分析及对策 ? 1 ,? 2 (1. 镇海炼化压力容器检验有限责任公司,浙江 宁波 315207; 2.中石化 镇海炼化分公司,浙江 宁 波 315207) ?:制氢装置中的蒸汽发生器壳体在使用时连续在不同部位开裂泄漏,通过实施全面的检验,并 进行详细的分析,确定了其开裂失效的原因,并采取了相应的对策,取得了较好的效果。 ?:蒸汽发生器;裂纹;分析 ?: TQ051. 6; TQ050.
2、7?:B?: 1001 - 4837(2009) 10 - 0055 - 04 doi: 10. 3969/j . issn. 1001 - 4837. 2009. 10. 011 Steam Generator Cracking Analysis and Countermeasures XUE Yong - jun 1, ZHENG L ing - yan2 (1. ZRCC Pressure Vessel Inspection Co. , Ltd. ,Ningbo 315207, China; 2. China Oil Chemical Incorpo2 rated ZRCC. ,Ning
3、bo 315207, China) Abstract: In the hydrogen production plant, the steam generator cracked and leaked in different parts of the shell . Through a comprehensive inspection and detailed analysis of the cracking, the basic reasons for failure were determined and the appropriate counter measureswere take
4、n, and good resultswere achieved. Key words: steam generator; crack; analysis 1? 在使用中发现问题的2台卧式蒸发器分别是某 公司2套相同制氢装置的中变气蒸汽发生器 制 氢A套装置的AE03和制氢B套装置的BE03。由 于有空分装置可以供氢,制氢装置常常是根据需要 开停工,停工时间最长的大约2年。 2006年底A套制氢装置开工,装置运行半年后 发现AE03壳体有蒸汽泄漏现象。由于B套长时间 未运行,设备管道的保温层下腐蚀比较严重,未经检 验和检修无法立即投入使用,不得已现场采用锤击 使金属延展裂纹闭合的方法暂时维持A
5、套装置运 行。但几乎是每隔一个星期就会在不同位置产生泄 漏,前后共发生6次泄漏。期间也曾采用高温探头 进行超声检测和干磁粉检测,但均未能检出缺陷,高 温测厚和硬度检验无异常。最终,决定先对B套制 氢的BE03进行检验合格后,临时停制氢A套,将 BE03的壳体更换到AE03上,然后再对失效的 AE03的壳体进行检验分析。 2? 该设备技术参数见表1, AE03、BE03焊缝布置 简图见图1。 3? 55 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ ?1? 项目参
6、数 规格(mm)?800208146 材质16MnR 设计压力(壳程/管程) (MPa)5. 0/1. 86 设计温度(壳程/管程) ()279/425 操作压力(壳程/管程) (MPa)4. 7/1. 72 操作温度(壳程/管程) ()255/ (270 416) 工作介质(壳程/管程)水蒸气/中变气 类别2ME 在此前的两次全面检验中均未发现问题,安全 等级1级。 3. 1 BE03检验情况 宏观检验:保温有破损,高温防腐漆已基本脱 落,由于在平台下,雨水不易淋到,故腐蚀状况尚好。 测厚无异常,焊缝部位硬度约180 HB,母材部位硬 度约150 HB。 射线检测共拍片66张:级60张、 级
7、2张、 级1张、 级3张( 级片均为裂纹,共4条,UT 复验确定深度为10mm左右,长度小于15mm ,返 图1 修处理)。表面裂纹RT未能检出。磁粉检测在外 表面发现一处裂纹,打磨深度3 mm左右消除,补焊 处理。内表面在焊缝及热影响区共发现21处裂纹, 长度比较短,基本在5 mm左右,均打磨消除,打磨 深度不超过1. 5 mm。裂纹方向和分布没有规律: W2上1条、W3上4条、W4上5条、W5上2条、W6上 5条、L2上1条、L3上1条、L4上2条。 BE03缺陷返修合格后将壳体更换到AE03。 3. 2 AE03检验情况 壳体更换下后进行了全面检验。宏观检验、 测 厚无异常,裂纹处焊缝硬
8、度180 HB左右。 射线检测共拍片99张, 14张 级片中有13张 裂纹和1张未熔合片,其余基本为 、 级片。共有 裂纹16处,均在环焊缝上,其中仅1条为纵向裂纹, 其余均为横向裂纹(平行于筒体轴向)。横向裂纹 均在焊缝部位起裂,向两侧母材延伸,长度在25 60 mm之间。对射线检出缺陷部位采用UT复验, 共有裂纹16处,其中6处为贯穿裂纹(分别对应于 6次泄漏部位 ) , 1 条为纵向埋藏裂纹,其余均为内 表面开口裂纹。磁粉检测共发现内表面裂纹17处, 外表面6处(分别对应于6次泄漏部位)。裂纹的 分布和方向具有比较明显的特征:内表面W1上6 条、W2上2条、W3上3条、W4上1条、W5上
9、3条、 W6上1条、L5上1条,贯穿裂纹W1上5条、W2上1 条,裂纹基本集中于中下部(尤其是贯穿裂纹 ) , 所 有裂纹的方向与筒体的轴向平行,对应于最大主应 力。 4? AE03发生频繁泄漏后,初步判断为应力腐蚀开 裂。为慎重起见,对AE03开裂部位取样进行详细 的分析。 4. 1 材质检验 壳体及焊缝处的化学成分、 夹杂物符合相关标 准。钢板纵横截面金相组织均为呈明显带状分布的 铁素体+珠光体;焊缝横截面金相组织为回火索氏 体+呈柱状及网状分布的铁素体,局部有少量魏氏 组织,该组织属于正常的焊缝组织;热影响区未见粗 大魏氏组织等常见的焊接缺陷。对所取试样在实验 室进行了硬度测定,无论是焊
10、缝、 热影响区还是母材 的硬度,发生开裂的焊缝区附近硬度与正常焊缝区 是接近的,且均在合适的范围内。因此,可以认为: 开裂不是因为材质及焊接质量问题所致。 4. 2 壳体腐蚀 测厚表明均匀腐蚀在正常腐蚀范围内,公称壁 厚20 mm,实测最小壁厚AE03为18. 5 mm、BE03为 19. 7 mm。可见壳体还是存在一定的均匀腐蚀,尤 其是AE03。 4. 3 裂纹形貌 AE03裂纹集中在环焊缝中下部的焊缝区,方向 与焊缝走向垂直(横向裂纹 ) , 且基本上以焊缝为中 心向两侧扩展,裂纹长短不一,约在2560 mm范 围。裂纹有贯穿和未贯穿两种,用肉眼较难观察到。 65 CPVT 在用蒸汽发生
11、器开裂原因分析及对策 Vol261No10 2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 裂纹试样表面抛光后裂纹尖端如图2所示,裂 纹不连续,有分叉现象,裂纹内部填充了具有明显氧 化物特征形貌的物质,侵蚀后金相见图3。 图2 100 图3 200 试样切割后在深度方向垂直于裂纹也可观察到 与裂纹长度方向的扩展相似,除主裂纹外,可观察到 多条裂纹的分叉及不连续裂纹,尤其是尖端及中间 细小的分叉裂纹内部填充有氧化物。 对焊缝处裂纹切割开进行观察,未发现有其
12、他 特别缺陷存在,在试样上裂纹的其他部位发现有凹 坑,凹坑口四周及内部有明显的灰色氧化物存在,说 明焊缝处存在较严重的氧化和点腐蚀现象。 4. 4 断口检查 将裂纹打开,其断口显示清晰的放射纹,如图4 所示,放射纹收敛于焊缝顶端(图4中黑色椭圆形 区域 ) , 该区域与主断面之间有明显的分界线,颜色 也略有差异,上表面处有一明显小凹坑,说明此处是 该裂纹的起源处。 对断口进行能谱成分分析,各元素的含量见表 2,可见O /Fe原子含量比为1. 78,接近Fe2O3,这说 明断口有较多的氧化铁存在。 4. 5 裂纹产生原因综合分析 根据以上检查分析,在换热器停用之前,壳体内 表 面附着有Fe3O4
13、的地方对壳体有一定的保护作 图4 100 ?2? 化学成分COAlSiPTiMnFe 原子含量 (% ) 47. 1432. 25 1. 31 0. 12 0. 51 0. 09 0. 18 18. 14 重量含量 (% ) 25. 9923. 68 1. 62 0. 15 0. 72 0. 20 0. 45 47. 19 用。然而,在停用放置过程中,如果保护措施不当, 尤其是使用场地处于东海之滨,典型的海洋性环境, 有较强的Cl -的腐蚀气氛存在。Cl- 可透过表面的 防护性氧化膜,与基体发生作用,形成“ 小阳极大阴 极 ” 型的腐蚀电池,导致点蚀的形成。点蚀坑的形 成,使该处材料弱化,加上
14、焊缝区不可避免存在残余 应力作用,因此,在长时间的停用过程中,蚀坑缓慢 变大扩展,从而形成裂纹源。其他条件导致的氧化 膜不完整致密也可能产生腐蚀,使材料弱化,同样在 残余应力作用下可能形成裂纹源。这也正是裂纹只 在焊缝和热影响区产生,而在壳体其他部位不产生 的原因,因在停用过程中壳体上不承受工作压力。 裂纹的扩展呈现明显的分叉现象,并且最终走 向对应于筒体主应力方向,这属于应力腐蚀开裂的 特征。AE03在重新起用时,停用放置过程中形成的 裂纹源成为一种缝隙形状,因为狭小闭塞,内外气、 液交流不顺畅,因此,缝内的化学和电化学状态与外 部不同,会形成所谓的“ 闭塞电池腐蚀 ” 。这时, Fe 溶解
15、后形成Fe 2 + , Fe 2 +在水中进行二次反应 ,生成 Fe2O3和Fe3O4。这也是裂纹中充满氧化物的原因。 裂纹越细小,闭塞电池之间的电位差越大,腐蚀越严 重。上述反应形成的OH - ,使pH值升高,“ 碱脆 ” 就成为可能,尤其是介质中添加了Na3- PO4, Na3 PO4会从溶液中析出沉积物并产生游离的NaOH。 碱脆的敏感性随碱液浓度和温度的升高而增 大。在换热器抽芯过程中发现,封头侧(W1)内部腐 蚀产物明显比其他部位多,因此穿透裂纹基本集中 75 第26卷第10期 压 力 容 器 总第203期 1994-2009 China Academic Journal Elect
16、ronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 于此。 需要指出的是,虽然除氧水检测分析数据正常, 但它反映的是一个整体平均值,不可能反映局部的 pH和Na +等的超标现象 ,即使指标正常也并不能表 明不会发生应力腐蚀现象。并且采样口设置在其下 游的汽包,不在此换热器部位,其分析值的可靠性偏 低。而且,制氢装置所用的除氧水并不是和公司动 力系统联网的,而是独立的,出现偶尔的超标情况是 可能的。 至于停用的BE03缘何裂纹不像AE03那样具 有非常明显的与筒体轴线一致的方向性,分析认为, 由于BE03长期处于停用状态,未受负荷应力的影 响,
17、其应力的来源仅为残余应力,残余应力不具有明 显的方向性,所以初始萌生的裂纹没有明显的方向 性。其裂纹长度和深度很小,也说明仅处于萌生状 态,还未扩展。 5? 综上所述,可以认为失效的原因是:停用过程中 发生腐蚀,导致裂纹源的形成;重新起用过程中存在 碱脆条件,裂纹源快速扩展,部分裂纹贯穿壳体,发 生泄漏。 预防措施: (1)停工保养是为了防止内部金属表面发生锈 蚀所采取的措施。通常是吹扫干净后充入一定压力 的氮气保护,但之后的巡回检查缺少关注。因此必 须严格规定巡回检查的周期。 (2)严格工艺操作。一方面要加强添加剂的操 作管理,严格控制pH值和Na +不得超标。建议定 期排污,并在换热器部位
18、设置采样口,加强监测。 (3)操作中控制更低的氧含量。 (4)重新投用前进行全面的重点检验,消除表 面缺陷。 经检验,消除表面微裂纹后的BE03壳体运行 已近两年,到目前为止未再发生泄漏事故。 ?: 2009 - 05 - 27 ?:薛拥军,男,副主任工程师,压力容器检验师,压力 管道检验师,无损检测高级人员 (RT 、UT、MT、PT ) , 通讯地址: 315207浙江宁波市镇海炼化机动处压力容器检 验有限责任公司, E - mail: xueyjzrcc. com。 (?16?) 7 MACKENZIED,BOYLE J T,NADARAJAH C, et al . Sim2 ple B
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