張志強， 林廣周， 朱瑞松

(中國石化 揚子石油化工有限公司， 江蘇 南京 210048)

廢熱鍋爐指利用工業(yè)過程中的余熱產生蒸汽的鍋爐，是化工生產過程中的重要設備。臥式撓性薄管板廢熱鍋爐是目前公認的穩(wěn)定性和可靠性最高的廢熱鍋爐之一，在甲烷化、制氫、合成氨及甲醇等化工生產過程中優(yōu)先選用已逐漸成為共識。內孔焊目前被廣泛應用于電站、石油和化工等行業(yè)的設備制造中[1]，傳統(tǒng)廢熱鍋爐管束與管板端面焊接的實踐表明，采用內孔焊能夠很好地解決管束與管板接頭的應力腐蝕開裂問題，延長設備壽命。徐君臣[2]、張福林[3]對撓性薄管板的設計計算方法進行了研究，SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》[4]中也增加了撓性薄管板結構設計內容。河南能源化工集團中原大化公司合成氨裝置撓性薄管板廢熱鍋爐曾出現(xiàn)過管板裂紋、管束泄漏現(xiàn)象[5]，齊波等[6]、尹旭濤等[7]對撓性薄管板廢熱鍋爐的安裝及操作常見問題進行了分析，但對同類型廢熱鍋爐管板沖蝕減薄泄漏的問題未見報道，國內也沒有可借鑒的修復案例。

本文對中石化某單位一氧化碳裝置中的內孔焊撓性薄管板廢熱鍋爐EA15210管板的沖蝕失效原因進行分析，并提出了具體修復方法。

1 廢熱鍋爐簡介

轉化爐出口廢熱鍋爐EA15210由德國ALSTOM公司設計制造，臥式結構，用于工藝氣熱量回收并產生4.2 MPa過熱蒸汽。廢熱鍋爐采用的是薄管板設計，避免了大型固定管板熱交換器管束熱膨脹的問題。在管箱入口側，薄管板上設有含剛玉的高溫耐火防護層，換熱管入口段裝設陶瓷保護套管[8]，可防止高溫介質變換氣的沖蝕，很好地解決了耐火防護層與換熱管熱膨脹不一致造成澆筑層脫落的問題。廢熱鍋爐的管束與管板采用全自動內孔焊，廢熱鍋爐尺寸為1 550 mm×12 885 mm×34 mm(外徑×長度×壁厚)。換熱管呈正三角排列，尺寸為?38 mm×3.2 mm×7 300 mm，中心距50 mm，共582根。管板厚度30 mm，管束換熱面積493.3 m2，廢熱鍋爐總重41.7 t。進、出接口均采用對焊連接，鍋爐水四進四出，提升管尺寸為?406.4 mm×21.44 mm，管板襯里厚度100 mm，封頭內襯里厚度195 mm。EA15210廢熱鍋爐部分工藝參數(shù)見表1，管程工藝氣組成見表2。

表2 廢熱鍋爐管程工藝氣組成 %

2 廢熱鍋爐故障情況

裝置運行過程中發(fā)現(xiàn)廢熱鍋爐出口溫度由300 ℃突然降至250 ℃，結合水平衡計算分析確定為管束內漏，裝置緊急停車。打開廢熱鍋爐后檢查發(fā)現(xiàn)，入口段管板面在時鐘6點至9點方向沖蝕嚴重，其它方向入口側管板面基本完好。清除耐火材料后發(fā)現(xiàn)泄漏起始點位于管板面8點鐘方向，管橋處沖蝕嚴重。管板泄漏形貌見圖1，管橋沖蝕局部形貌見圖2。

圖1 管板泄漏形貌

圖2 管橋沖蝕局部形貌

開裂位置管板表面澆注料與管板出現(xiàn)剝離，且向周圍延伸，裂管處管橋幾乎沖蝕消失，周圍管板管橋處出現(xiàn)沖蝕尖角，而遠離開裂區(qū)域澆注料與管板貼合緊密。進一步觀察陶瓷套管外貌發(fā)現(xiàn)，582根套管出現(xiàn)不同程度的裂紋及斷裂現(xiàn)象，泄漏管束內套管斷裂脫開，脫落部分套管被管程工藝氣沖至廢熱鍋爐出口側管箱處。沖蝕前后管板結構見圖3。

圖3 沖蝕前后管板結構示圖

3 廢熱鍋爐泄漏原因分析

3.1 結構設計欠合理

撓性管板具有結構優(yōu)勢，張賢福[9]采用國內外標準對高壓撓性薄管板的厚度進行了計算與對比，并采用有限元方法對管板的強度進行校核。潘建華等[10]采用有限元方法對余熱回收熱交換器薄管板強度進行分析計算，得出了薄管板的應力及變形情況。李金科等[11]通過CFD 軟件對廢熱鍋爐入口流體進行了數(shù)值計算，葉增榮[12]對廢熱鍋爐薄管板進行了熱應力分析。很多研究分析結果表明，正常設計下，高溫工藝氣如果徑向進入，工藝氣入口接管中心線到受熱面管板表面的距離大于3倍的入口管箱直徑，有利于實現(xiàn)流體的均勻分布。本廢熱鍋爐工藝氣為徑向進入，工藝氣入口接管中心線到受熱面管板表面的距離為990 mm，而入口管箱處直徑為1 746 mm，未能滿足3倍比值關系，造成流體進入鍋爐后分布不均，且防沖板靠近管板處存在高度100 mm的卷邊，流體進入鍋爐后容易形成氣壩效應，造成在管板8點鐘方向熱強度過大。

3.2 管板局部超溫

根據(jù)現(xiàn)場情況，開裂位置管板表面澆注料與管板出現(xiàn)剝離系管束焊縫處泄漏高壓鍋爐水急速汽化沖刷所致。陶瓷套管斷裂后，焊縫暴露在910 ℃工藝氣中，15CrMoG材質管板局部長期接觸高溫氣體，局部溫度超出設計溫度，材料性能下降導致失效。

3.3 鍋爐水質超標

廢熱鍋爐的水質要求較高[13]，水質不良會導致廢熱鍋爐產生結垢、腐蝕及品質惡化等問題[14]，嚴重時可造成腐蝕穿孔甚至過熱爆管等事故。實際操作中雖然對鍋爐水指標進行了嚴格控制，但仍時有磷酸三鈉超標的現(xiàn)象。

3.4 管束結垢及聯(lián)鎖停車

廢熱鍋爐管、殼程操作壓差1.2 MPa，入口段操作溫差640 ℃，管程工藝氣中夾帶催化劑粉塵，且在正常運行中管束內容易沉積磷酸鹽形成垢層，造成陶瓷套管與管束間自由間隙減小甚至為0，管束膨脹系數(shù)大于陶瓷套管膨脹系數(shù)。此外，裝置運行期間累計發(fā)生超20次聯(lián)鎖停車事故，緊急降溫容易造成套管受擠壓后產生裂紋。

3.5 清灰吹掃不當

裝置停車大修期間會對廢熱鍋爐管束內表面進行清灰吹掃，此工序操作不當容易造成陶瓷保護套管機械損傷。

4 廢熱鍋爐管板修復

廢熱鍋爐管板材質為15CrMoG，焊后容易產生延遲裂紋，且現(xiàn)場修復時熱處理難度大、熱處理質量較難控制。本次修復的原則是盡量恢復管板初始形貌，使管板修復后的應力趨于原設計工況時的應力，具體修復方案如下。

(1)打磨補焊面，直至全部露出金屬光澤，將尖角的管橋打磨至5 mm壁厚處。

(2)插入堵頭進行定位焊，焊接方法為氬弧焊(GTAW)，焊絲選用ERNiCr-3。入口段、出口段管板堵頭結構分別見圖4、圖5。

圖4 入口段管板堵頭結構

圖5 出口段管板堵頭結構

(3)焊接入口段管板堵頭與換熱管，焊接方法為GTAW，焊絲選用ERNiCr-3，焊接電流90～120 A，電弧電壓10～18 V。150 ℃預熱，利用氬弧焊易于成型的特點，在管橋處先補焊一層底面，滲透檢測合格后焊接入口段管板堵頭，并填補堵頭處管橋缺失部位。為防止局部溫度過高，相鄰管束間及焊肉每層之間均采用不連續(xù)堆焊，直至完成所有入口段管板堵頭的焊接，滲透檢測合格后方可進入下一步工序。入口段管板堵頭與管橋焊接示圖見圖6。

(4)選用?4.0 mm的 ENiCrFe-3合金鎳基焊條，采用焊條電弧焊橫向焊接完成管板堆焊，電源極性直流反接，焊接電流130～160 A，電弧電壓20～

圖6 入口段管板堵頭與管橋焊接示圖

30 V。采用小電流焊接，層間溫度不超過100 ℃，分2塊區(qū)域輪流補焊，直至厚度達到20 mm，滲透檢測 I級合格。堆焊后管板結構見圖7。

圖7 堆焊后管板結構示圖

(5)焊接出口段管板堵頭，焊接工藝參數(shù)與管板堆焊參數(shù)相同。管板補焊后將兩端管板加熱至約750 ℃，覆蓋保溫棉，封閉人孔保溫做消應力處理。

(6)現(xiàn)場打磨其他部位沖刷腐蝕管橋，確保管橋處厚度不小于5 mm，以減小尖角管橋處應力集中。關注堆焊管板邊緣相鄰處管橋延遲裂紋的出現(xiàn)，修復中共檢查出11處管橋裂紋，均進行了打磨補焊。

(7)檢測管板厚度、硬度，對泄漏管子端部焊縫進行滲透檢測，管板修復完成后更換全部陶瓷套管，澆注料修筑養(yǎng)護合格后備用。管板修復后換熱管堵管方位見圖8。

圖8 管板修復后換熱管堵管方位示圖

5 修復后廢熱鍋爐核算[15]

5.1 管板厚度

修復后的管板計算厚度按式(1)計算：

(1)

5.2 換熱管與管板連接接頭拉脫應力

換熱管與管板連接接頭拉脫應力按式(2)計算：

(2)

其中

AZ=Abmax-πd2/4

(3)

式中，q為換熱管與管板連接接頭的拉脫應力，MPa；d為換熱管外徑，l為換熱管與管板連接的焊腳高度，mm；Ф為換熱管與管板焊接接頭系數(shù)；AZ為布管區(qū)周邊單根換熱管支撐面積，Abmax為在布管區(qū)周邊圍繞單根換熱管畫假想圓的中心點連線所包圍的面積最大值，mm2。

將d=38 mm、Abmax=3 690 mm2帶入式(3)計算得AZ=2 826.46 mm2。將pc=5.92 MPa、d=38 mm、l=7 mm、Ф=0.8、AZ=2 826.46 mm2帶入式(2)計算得q=25.04 MPa。

5.3 換熱管與管板連接接頭許用拉脫應力

換熱管與管板連接接頭許用拉脫應力按式(4)計算：

(4)

5.4 換熱效果

管板修復過程中換熱管共計堵管118根，考慮1%的熱損失，對熱負荷重新進行核算。在與檢修前進料量相同的情況下，廢熱鍋爐出口工藝氣溫度仍然小于340 ℃，阻力降增加約0.005 5 MPa。裝置開車后，廢熱鍋爐工藝氣出口溫度滿足生產需求，廢熱鍋爐運行平穩(wěn)。

6 結語

按文中方案對廢熱鍋爐沖蝕管板進行了修復，修復投用后廢熱鍋爐已高負荷穩(wěn)定運行超過1 a，各項運行參數(shù)穩(wěn)定。投用期間因鼓風機變頻器故障發(fā)生多次聯(lián)鎖停車，裝置緊急降溫、降壓，廢熱鍋爐均未發(fā)生泄漏故障，證明撓性薄管板修復成功。此次管板修復在國內尚屬首次，對國內同類型設備的修復具有借鑒意義。