重催装置内取热器换热管破裂分析

安全分析重催装置內取热器换热管破裂分析李波潘广斌l姜日元郑启文ˉ1.吉林石化公司吉林1320222.哈尔滨焊接研究所哈尔滨150080)摘要沦述了內取热器Cr5M换热管破裂性质、原因及防止措施指岀采用高镍焊材异质接头管内局部区域存在较厚覆盖物、№aOH浓缩集聚旳条件和较高的应力水平等是导致换热管产生沿晶型应力腐蚀开裂的关键因素关键词内取热器汇5M钢管应力腐蚀开裂异质接头同质接头中图分类号:Q051.5Q050.7文献标识码文章编号:001-483X200)0-0053-03Rupture Analysis of Interchange Tube of Interior Heat Collectorfor Heavy Oil Catalysis Cracking plantLI Bo'PAN Guang-bin' JIANG Ri-yuan' ZHENG Qi-wen(lJilin Petrochemical Co. Ltd., Jilin 132022, China 2 Harbin Research Institute of Welding, Harbin150080 ChinaAbstract Character cause and provision of the interchange tube rupture for interior heat collector were intro-duced. The analysis showed that making high nickel dissimilar filler metal joint more heavy deposition aswell as NaoH condensation on local zone in the tube more high stress level were main cause for above IntergrantKey words interior heat collector Cr5 Mo- tube ' stress corrosive crack ,dissimilar filler metal joint similarfiller metal joint某厂年处理70万吨常压渣油重催装置内取热口介质为过热蒸汽温度为460~470℃压力为3.8器为2000年6月投用自2001年11月以来曾先后4.0MPa管外:入口和出口处温度均为600℃3次发生换热管破裂泄漏。为此,对其破裂的原因介质为油气、烟汽、催化剂。1999年6月内取热器进行试验分析热负荷由22t/h增加至29~30th内取热器基本情况2检测和试验重催裝置再生器内取热器用于将外取热器及油2.1宏观检验浆发生器生产的饱和蒸汽加热为过热蒸汽供给厂中国煤化工改分别发生于三组内中压蒸汽管网。內取热器为盘管式结构换热管规取CNMH的焊接接头区(见图格为89mm×8mm材质为C5Mo共3组每组盘管1)製匙始于詈內墅斥假处,沿环缝熔合区或焊式换热管长约100m换热面积28m2。其运行参数,缝金属由内向外扩展(主裂纹大多位于环缝盘管侧管内汏λ口介质为饱和蒸汽温度为240~250℃出熔合区)且大部分已穿透管壁成为张口裂纹张口CPVT重催裝置內取热器换热管破裂分析Vol20. Nol0 2003宽约1~2m)裂口处管外壁受到外泄高压、高速焊渣易堆积沉积牣包括腐蚀产物)换热管破裂蒸汽及被搅动旳催化剂冲蚀形成许多表面粗糙、形区壁厚减薄及变形不明显属脆性开裂。破裂区管状各异的沟槽和凹坑见图2内壁和裂纹面上堆积一层厚约1mm的黑色附着物。管内壁裂纹附近有多个小蚀坑最大的6mm换热管破裂处×2mm(深度换热管破裂处入口图1内取热器换热管破裂位置换热管破裂区焊缝为现场手弧焊内壁基本焊图2内取热器换热管破裂口外观形貌透但成形不好余高有的约4mm)且焊根有残存22换热管破裂区母材及焊缝化学成分分析表1换热管破裂区母材及焊缝化学成分化学成分CFe备注换热管母材0.0980.290.350.00710.0144.830.0370.51焊缝金属0.0360.242.900.00230.∞017.0263.852.360.30熔合区附近11.412860.05注注注注熔合区附近注]、2为钻孔取样分析结果3、4为裂纹前缘机械打断后新鲜断口表面能谱分析结果换热管破裂区母材及焊缝化学成分见表1。显表2换热管接头区各部位显微硬度测试结果(HV然现场组焊采用的是镍基焊条N-Cr-Fe),即异位置内部区表层区质焊材及相关工艺。母材区362292292.3换热管破裂区及其附近壁厚测量熔合线母材侧229216220203236229210210断口边缘壁厚8.1~9.2mm,断裂区附近壁厚熔合线焊缝侧18817217202|017216826马氏体带)焊缝金属中心)232162448.4~9.2m,远离断囗处壁厚8.5~9.5mm。上述壁厚测量值均大于换热管名义壁厚。2.5裂纹金相分析2.4金相分析从裂纹试样1#主裂纹沿接头一侧熔合区扩展,观察显示换热管破裂区接头母材区组织为回裂纹缝隙内充满腐蚀产物,主裂纹奥氏体焊缝一侧火索氏体焊缝金属组织为奥氏体γ相基体)过热存在沿晶发展的微裂纹与主裂纹相见图3区组织为贝氏体:熔合区焊缝侧马氏体带沿熔合区从裂纹试样2*一侧焊根处主裂纹沿熔合线扩分布不完整很大范围无马氏体带)最宽处约12.5展,并向奥氏体焊缝一侧衍生出许多沿晶发展的微mn,熔合区附近未见明显增、脱碳现象(见图3)裂纹见图45)主裂纹后1/3段沿奥氏体晶界扩换热管接头区各部位显微硬度测试结果见表2。展并终止于焊趾区,该段主裂纹也向奥氏体焊缝侧衍生出许多沿晶界发展的微裂纹另侧焊根裂纹沿焊缝奥氏体晶界形成和扩展(见图62.6断口覆盖物微区成分分析对管内羔物成分分析表明,其中含有约1%的行中国煤化工裂纹缝隙腐蚀产物进CNMHG裂纹和分支微裂纹中都含有Na元素因主裂纹较宽裂纹缝隙中腐蚀产物较深故上述面扫描和线扫描实际是针对主裂纹图3裂纹试样1“主裂纹及分支微裂纹形貌的一个界面顶端进行的所以Na元素的峰值较低第20卷第10期压力容器总第131期探针检测得岀主裂纹和分支小裂纹中均不存在C体带最大硬度才H√260,说明接头材料塑性和韧性和S元素。均较高。宏观、金相和扫描电镜观察均显示:换热管破裂起源于管內壁高镍合金焊材异质接头焊根区沿熔合区和焊缝金属奥氏体晶界扩展裂纹多分枝属脆性、沿晶开裂断口表面及管内壁裂口附近覆盖有较厚的积沉物和腐蚀产物,内含有NaOH。由此可见内取热器入口附近换热管破裂具有NaOH引起的应力腐蚀开裂的特征3.2关于内取热器换热管破裂原因的分析图4裂纹试样2#右侧主裂纹及分支微裂纹形貌高镍焊材 Inconel屏质接头的应力腐蚀开裂问题早已引起人们的关注。高镍焊材异质接头熔合区及其焊缝金属在250~350℃高温、高压水和蒸汽介质中发生沿晶型应力腐蚀开裂在国外已多有报研究表明高镍合金接头对C!诱发的沿晶型应力腐蚀开裂具有很强的抑制作用,但随着Ni含量的提高因NaOH或H2SO4等溶液诱发的沿晶型应力腐蚀开裂敏感性却随之增加。显然上述换热管破裂区(高镍焊材异质接头图5裂纹试样2右侧分支微裂纹形貌恰好位于其运行温度在250~300℃的内取热器入口附近管内高温、高压饱和蒸汽中含有一定量的水液汽水介质中含有一定量的NaOH;管内存在NaOH浓缩集聚的条件(内壁焊根区成形不良且残存焊渣使其表面易堆积附着物或腐蚀产物还处于蒸汽和水干湿交替状态等)高的热负荷和从汽包来的饱和蒸汽含有较多固体粒子也是造成结垢和NaOH浓缩的因素;此外破裂区又是焊接残余应力、接头应力集中和结构应力集中弯头与盘管连接图6裂纹试样2#左侧焊根奥氏体焊缝沿晶裂纹形貌点腫叠区等多种因素的综合作用导致换热管产生沿晶型应力腐蚀开裂。讨论4预防内取热器换热管破裂的途径3.1关于内取热器换热管破裂的性质讨论从化学分析结果看(见表1),破裂区接头为高(1痖应改善换热管内汽水质量减少从汽包来的镍合金焊林 ENiCrFe- Inconel焊条)手弧焊工艺制饱和蒸汽中固体粒子含量),改善接头背面成形采作的全焊透异质合金对接接头焊缝金属组织为奥用钨极氩弧焊打底防止在内取热器低温端管内壁氏体)由于采用的是高镍合金〔N63%煒焊材,能(焊根区)产生结垢消除碱液(NaOH等)浓缩集聚够抑制熔合区焊缝侧脆性马氏体带的形成焊接坡的条件。口间隙较大母材稀释不严重也减少产生马氏体带优先采用同质焊材焊后进行消应力热处的倾向。检验证实实际接头熔合区只在局部区域理中国煤化工直与母材相当。看到马氏体带其最大宽度仅为12.5mm而大部分CNMHG应力热处理条件时可熔合区甚至看不到马氏体带。此外采用高镍焊材,考虑采用抗应力腐蚀性能强的高镍合金焊材作为焊接头中没有显著的氢、碳向马氏体带扩散和集聚从接用材,并要求小线能量、直道焊、短弧焊工艺。试而加剧材质脆性的问题显微硬度数据也证实凸氏验和实践证实N是抗穿晶型应力(下转第59页第20卷第10期压力容器总第131期4个功能按钮。用户可以按照探伤的过程要求,选参考文献择不同的功能按钮。如用户对缺陷定位在正确选择探伤工艺规范和确定是缺陷信号的前提下点击[1]蒋云.60N超临界机组锅炉集箱小径管角焊缝超声探伤定位定量"按钮进入缺陷定位界面用户只需波探伢J]无损探伤996(3)输入探伤声程、K值以及系统规定的各项参数就能〖2〕曾建电站锅炉联箱管座角焊缝的探伤方法研究J热力电力1996(6)计算岀缺陷的位置显示输入缺陷位置截面图并判[3]蔡晖薄壁安放式接管座角焊缝地超声探伽J].西北断缺陷是否在焊缝内如图5所示。电力2002(3)5结论[4]陈建忠史耀武超声检测过程地数字模攬J].无损检测20012x5)1胲该专家系统解决了管座角焊缝单侧探伤的[5] Schmitz v, Walte F, Chakhloy sv..3 D Ray Tracing ir问题实现了在支管和主管面双侧探伤洴能显示出Austenite Material J ] NDT&E International 1999 32( 4)缺陷在焊缝中位置的截面图提高缺陷的检岀率以及对缺陷的准确定位。[6]马玉祥武波,专家系统M]成都成都科技大学出版2廨解决了缺陷信号识别难度大的问题使一般社1994.探伤人员通过专家系统的指导帮助就可胜任管座7]王耀南智能控制系统M]长沙湖南大学出版社1996角焊缝的探伤工作便于应用推广,3)统实现了对管座角焊缝根部未焊透缺陷[8]樊丁阎澄,等压力容器焊缝超声波探伤专家系统[J1甘肃工业大学学报1994202)深度与长度的自动判定。〔4)系统的知识库还不够丰富充实对缺陷定收稿日期200-05-29性还不能给出合理的解释。目前正在深入开展这作者简介陈汉1977-)男硕士研究生从事锅炉压力方面的研究工作使该系统不断完善。容器无损检测方向研究上接第5页腐蚀开裂的有效元素采用高镍Ni控制P、S、NC等元素含量可避免焊接接头穿晶和>45%冾金焊材基本可抑止穿晶型应力腐蚀开裂沿晶两种类型的应力腐蚀开裂。哈尔滨焊接研究所的发生担镍过多反而容易发生沿晶型应力腐蚀开为此研制的高镍抗应力腐蚀焊材H105( Inconel裂将Cr含量提高至28%以上加适量的Nb或152)其成分和性能列于表3。表3H-10孓 Inconel152焊条熔敷金属化学成分和常温性能MnPS Ni o( MPa) o,( MPa) a %0.10%3.0%≤0.50%28/31%9.0/11.0%1.5/2.5%≤0.01%4淂焊接过程中避免强制组装及结构集合重力NaOH碱液浓缩聚集的条件;破裂区处于焊接残余的作用避免将内取热器入口侧弯管和盘管对接接应力、接头应力集中和结构应力集中重叠区导致脆头置于结构应力集中区性、沿晶、NaOH引起的应力腐蚀开裂。5避免在较低温度下(室温蹒负荷使用特别参考文献应避免在低温下受到冲击载荷[1]小若正伦金属的腐蚀破坏与防蚀技术M]化工出版5结论社,1988,11(1煥换热管多次破裂均发生于内取热器入口端[2]陆世英簿镍基及铁镍基耐蚀合金M]化工出版社弯头与盘管相连的异质合金焊接接头主裂纹起始1989.1于內壁环缝根部沿接头熔合区和焊缝金属奥氏体中国煤化工町M1航空工业出版社晶界扩展相邻的奥氏体焊缝金属中也存在许多与CNMHG主裂纹相连的分枝小裂纹。收稿日期2003-08-05修稿日期2003-09-20(2汭取热器低温端焊接采用对NaOH应力腐作者简介李波1970-)车间设备主任工程师通讯地址蚀开裂敏感的高镍焊材异质接头管內存在结垢和吉林石化公司。