1 概述
        建峰化工總廠化肥廠大型化肥裝置合成氨二段轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐（100E8），由法國(guó)BABCOKE公司設(shè)計(jì)制造，其形式為自然循環(huán)臥式火管鍋爐，列管404根（每根列管入口都有1個(gè)火嘴）,正中央有一根旁路管。100E8主要材質(zhì)見表1。運(yùn)行時(shí)，工藝氣為轉(zhuǎn)化氣，氣體流量為159592 kg/h,入口溫度為869℃，壓力2.96MPa。水側(cè)給水為10004 kg/h，排污1010 kg/h。水側(cè)溫度：鍋爐給水入口303℃，出口為331℃，入口壓力為12.93Mpa(G),出口壓力為12.8MPa(G),總交換熱量129.83GJ/h。100E8失效歷程見表2。

    表1  100E8主要材質(zhì)

        2 失效原因分析
        2.1列管穿孔泄漏
        100E8于1993年6月投產(chǎn)運(yùn)行，1994年2月第1次出現(xiàn)失效現(xiàn)象，表現(xiàn)為92根列管在進(jìn)口側(cè)距管口100mm～200mm處穿孔泄漏。
        此次失效的直接原因是水質(zhì)問(wèn)題[1]，而失效特征則表現(xiàn)為水質(zhì)、列管溫度和水的局部流動(dòng)性共同作用下的局部嚴(yán)重腐蝕穿孔和大面積結(jié)垢。失效特征和原因可以分為下列5種情況：
        1）爐水長(zhǎng)期呈酸性，酸性溶液與金屬反應(yīng)而造成酸性腐蝕，表現(xiàn)為腐蝕發(fā)生在高溫區(qū)[2]（火嘴噴出口）。
        2）爐水雜質(zhì)較多，硬度較高，在列管外壁易于結(jié)垢，表現(xiàn)為各列管外壁結(jié)垢的普遍存在。
        3）管壁溫度越高，越有利于結(jié)垢和發(fā)生酸性腐蝕，表現(xiàn)為列管高溫區(qū)穿孔。100E8的列管在高溫氣進(jìn)口附近溫度最高，可以判斷列管在這樣的區(qū)域腐蝕速度更快，如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在這樣的區(qū)域率先腐蝕穿孔。

表2   100E8失效歷程

        4）在列管周圍水越不宜流動(dòng)，局部腐蝕介質(zhì)濃度越高，也就越易形成列管的局部嚴(yán)重腐蝕區(qū)。列管在高溫氣出口附近，由于靠近管板，該處局部水的流動(dòng)性較差，也易出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕，如列管S－8在高溫氣出口附近出現(xiàn)黑色團(tuán)塊。另一個(gè)典型的例子是在中部支承板處，水局部流動(dòng)性差，列管易出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕，如S－8、T－14、E－13等在此處出現(xiàn)環(huán)狀腐蝕區(qū)。      
        5）在高溫和水流動(dòng)性差共同作用下，最易發(fā)生腐蝕穿孔。100E8列管的高溫區(qū)和水流動(dòng)性差的區(qū)域重疊的部分在列管高溫區(qū)進(jìn)口附近，在這樣的區(qū)域腐蝕最嚴(yán)重，表現(xiàn)為列管在此區(qū)域穿孔。如L－6、S－8、T－14和E－13等列管在這樣的區(qū)域率先腐蝕穿孔。    
        2.2進(jìn)出口管板大量泄漏
        更換列管后運(yùn)行3個(gè)月，進(jìn)出口管板大量泄漏。由于水質(zhì)已經(jīng)得到有效控制，在如此短的時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)泄漏，且100E8運(yùn)行時(shí)間很短，因此可以排除腐蝕因素，主要是開車時(shí)，難免有沖擊載荷存在，造成部分固有大裂紋的擴(kuò)展和穿透；在疲勞載荷作用下，大裂紋發(fā)生低周疲勞擴(kuò)展穿透管板或管壁；在殘余應(yīng)力、工作應(yīng)力和溫度的作用下，焊接接頭內(nèi)的氫原子向應(yīng)力集中區(qū)和焊接接頭中的微觀缺陷區(qū)集中。
        而上述3種情況發(fā)生的前提條件是：大量列管角焊縫的焊接接頭存在較大的修理裂紋(指在修理過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋)；1994年換管時(shí)造成的焊接殘余應(yīng)力很大；焊縫區(qū)材料斷裂韌性較差。由于存在著不可避免的焊接殘余應(yīng)力(達(dá)到或超過(guò)焊縫區(qū)材料的屈服強(qiáng)度)，同工作應(yīng)力疊加后，局部應(yīng)力會(huì)很大，如果焊縫材料的韌性較差，那么修理裂紋就會(huì)擴(kuò)展，造成管板泄漏。
        1995年1月修理時(shí)大量出現(xiàn)焊好一根列管時(shí)，該列管周邊列管的焊縫區(qū)就出現(xiàn)穿透裂紋的現(xiàn)象，分析認(rèn)為有以下4種原因：① 周邊列管的焊縫區(qū)原先就存在較多微裂紋；② 在許多列管的焊縫區(qū)存在裂紋；③ 補(bǔ)焊時(shí)在周圍列管焊縫區(qū)造成的焊接溫度應(yīng)力很大；④ 焊縫區(qū)材料斷裂韌性較差。當(dāng)前3個(gè)原因存在時(shí)，就會(huì)大量出現(xiàn)邊補(bǔ)焊邊泄漏的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)?個(gè)原因也存在時(shí)，更易于出現(xiàn)邊補(bǔ)焊邊泄漏的現(xiàn)象。因此，由焊接造成很大的溫度應(yīng)力，造成了較大裂紋和殘余應(yīng)力較高區(qū)域的暴露，即造成了邊補(bǔ)焊邊泄漏。
        2.3 進(jìn)出口管板比較
        1995年1月發(fā)現(xiàn)出口管板裂紋遠(yuǎn)多于進(jìn)口管板，其比較分析如下：焊接接頭的質(zhì)量由焊接殘余應(yīng)力、焊接接頭力學(xué)性能決定，在其他條件相同時(shí)，焊接后熱處理是消除焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力、改善組織和保證焊接接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵。由現(xiàn)場(chǎng)得知1994年更換列管熱處理時(shí)，在出口管板出現(xiàn)過(guò)加熱墊斷電，即熱處理中斷的現(xiàn)象，造成出口管板部分區(qū)域熱處理質(zhì)量差，焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力沒(méi)有徹底消除，應(yīng)力集中程度高，材料斷裂韌性差，在工作應(yīng)力和溫度共同作用下，在出口管板焊接接頭上裂紋更容易萌生和發(fā)展，出口管板比進(jìn)口管板易于泄漏。
        進(jìn)口端管板有10處泄漏裂紋，同出口端相比較少，但是如果僅就進(jìn)口管板而言，修理后僅使用了3個(gè)月就出現(xiàn)10處泄漏，分析認(rèn)為存在以下2種情況：①進(jìn)口管板焊接質(zhì)量也存在較大問(wèn)題；②在現(xiàn)場(chǎng)條件下，管板和列管的焊接接頭質(zhì)量較難保證，即100E8焊接接頭中難免存在焊接缺陷，其焊接殘余應(yīng)力仍然較高，局部區(qū)域的材料性能仍然較差，所以進(jìn)口管板同出口管板一樣很快出現(xiàn)了裂紋泄漏。
        通過(guò)1995年的反復(fù)修補(bǔ)，出口端管板上的較大裂紋已得到修補(bǔ)，焊接質(zhì)量差(殘余應(yīng)力高、材料力學(xué)性能差)的區(qū)域被發(fā)現(xiàn)和修理，所以1995年以后，出口端管板列管焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。而進(jìn)口端列管與管板焊接接頭存在的裂紋等缺陷沒(méi)有得到充分暴露，焊接質(zhì)量較差(但比1994年的出口端管板列管焊接接頭質(zhì)量好)的區(qū)域沒(méi)有得到修理，在以后的使用中，在低周疲勞載荷的作用下，在溫度和環(huán)境的共同作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展延伸導(dǎo)致穿透，造成進(jìn)口管板泄漏。
        2.4水壓試驗(yàn)泄漏分析
        2000年8月大修，在水壓試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口管板多處泄漏。在拆卸耐火層時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏痕跡。對(duì)上述現(xiàn)象的分析如下：
        水壓試驗(yàn)造成管板原有裂紋擴(kuò)展泄漏的可能性較小。原因?yàn)椋郝暟l(fā)射沒(méi)有觀測(cè)到裂紋擴(kuò)展跡象；聲發(fā)射是非常靈敏的裂紋擴(kuò)展檢測(cè)手段。為什么工作條件下，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯泄漏，在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏？
        1）有穿透裂紋存在時(shí)，不一定就會(huì)泄漏(或有明顯泄漏)，在工程中經(jīng)常出現(xiàn)此種現(xiàn)象(比如在此次發(fā)現(xiàn)100E8泄漏后，重新加壓到8MPa才再次發(fā)現(xiàn)泄漏)。
        2）有穿透裂紋時(shí)，必須應(yīng)力水平適當(dāng)，穿透裂紋通道能夠張開，才會(huì)造成泄漏。
        3）在100E8工作條件下，列管溫度比殼體溫度高，列管的膨脹量比殼體大，造成管板在承受壓力載荷的基礎(chǔ)上，還要承受溫度載荷造成的彎矩，造成管板額外向水側(cè)彎曲，管板在水側(cè)應(yīng)力小，在管板中穿透裂紋在接近水側(cè)處不易張開，穿透裂紋的水泄漏通道不能形成，所以在工作條件下沒(méi)有觀測(cè)到明顯泄漏。
        4）在水壓試驗(yàn)條件下，管板不承受溫度載荷造成的彎矩，穿透裂紋泄漏通道容易打開，但也要水壓試驗(yàn)壓力足夠高才能打開泄漏通道。穿透裂紋形成后，在交變載荷作用下裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才形成泄漏。1995年大修時(shí)在100E8管板表面上發(fā)現(xiàn)的裂紋都較長(zhǎng)(大多數(shù)在20mm以上)，不同于2000年大修水壓試驗(yàn)時(shí)在管板表面上發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)狀裂紋，這個(gè)現(xiàn)象表明上述分析的合理性。
        3 結(jié)論
        通過(guò)對(duì)合成氨二段轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐列管、進(jìn)出口管板泄漏現(xiàn)象分析，認(rèn)為導(dǎo)致100E8失效的根本原因是水質(zhì)、列管溫度和水的局部循環(huán)狀態(tài)共同作用下產(chǎn)生的大面積結(jié)垢和嚴(yán)重腐蝕穿孔。因爐水長(zhǎng)期呈酸性和雜質(zhì)較多，在管壁溫度高的情況下，發(fā)生酸性腐蝕和結(jié)垢。更換列管時(shí)，焊接質(zhì)量差是造成100E8多次泄漏的根本原因。防止100E8失效的措施為：確保水質(zhì)指標(biāo)，只要加強(qiáng)脫鹽水、鍋爐給水、爐水按水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行控制，運(yùn)行時(shí)按照操作手冊(cè)要求，進(jìn)行定期排污和連續(xù)排污，可避免發(fā)生列管穿孔泄漏；列管更換和泄漏檢修時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行列管更換方案和檢修方案，注意取管順序和列管焊接順序，可降低管板焊接應(yīng)力；熱處理時(shí)，嚴(yán)格按照熱處理曲線進(jìn)行，防止發(fā)生加熱板斷電現(xiàn)象；運(yùn)行期間，控制開車、停車速度，避免負(fù)荷出現(xiàn)大的波動(dòng)。