摘 要：利用失效分析的方法，對重油催化油漿蒸汽發(fā)生器管板開裂現象進行了管板化學成分、宏觀、微觀斷口形貌及裂口腐蝕產物分析。得出疲勞和應力腐蝕共同作用引起重催油漿蒸汽發(fā)生器管板的開裂，并提出改進措施。

關鍵詞：油漿蒸汽發(fā)生器；管板開裂；應力腐蝕

某公司重油催化裝置4臺油漿蒸汽發(fā)生器于2013年8月投入運行。換熱器型號為BJS1600-4.32/5.4-678-7.5/32-6I，殼程材質為Q345R，管板材質為16MnⅥ，管子材質為10號鋼；殼程介質為飽和蒸汽和水，其操作壓力為4.6MPa，操作溫度為259℃；管程介質為油漿，其操作壓力為1.0Mpa，操作溫度為321℃。2013年10月換熱器相繼出現管束管頭焊縫開裂，2014年5月更換后換熱器管束再次出現管束管頭開裂現象。

油漿蒸汽發(fā)生器是催化裂化裝置中的關鍵節(jié)能設備，其管板開裂導致蒸汽泄漏到油漿之中，造成了生產的大幅度波動。因此，對油漿蒸汽發(fā)生器管板開裂原因進行分析并提出有效的預防措施是很有必要的。

1 試驗與分析

1.1 管板化學成分分析

對管板及管子截取化學成分分析試樣，分析結果見表1。管板及管子材質的各元素質量分數均在國際標準值內。

表1 管板及管子化學成分分析（Wt%）

1.2 宏觀斷口形貌分析

分別對換熱器固定管板和浮動管板的管程側表面進行表面PT檢查，檢查發(fā)現固定管板上的裂紋主要集中在Ⅳ程出口和Ⅴ程入口，浮動管板上的裂紋主要集中在Ⅲ程出口和Ⅳ程入口，出現裂紋的部位相對集中于管程的邊緣處。

油漿蒸汽發(fā)生器不帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖1所示。油漿蒸汽發(fā)生器帶角焊縫裂紋局部的宏觀形貌如圖2所示。裂紋斷裂面的宏觀形貌如圖3所示。

從圖1可以看出，裂紋分布于管橋、管板和換熱管板孔內。圖2中裂紋大多數位于角焊縫上，也有穿過角焊縫在管橋上的，角焊縫上的裂紋既有徑向，也有環(huán)向。

從圖3中可觀察到斷口腐蝕較嚴重，斷裂面較平整，表現出脆性開裂特征。

圖3 裂紋斷裂面宏觀形貌

1.3 微觀斷口形貌分析

對管橋裂紋斷口用掃描電鏡進行微觀分析，由于斷裂面腐蝕嚴重，只能在裂紋尖端附近局部區(qū)域觀察到裂紋，主要為解理脆性開裂（見圖4）。

圖4 管橋裂紋斷裂面微觀形態(tài)

選取管橋裂紋垂直截面進行金相分析（見圖5），裂紋由焊縫處啟裂，穿過熱影響區(qū)已進入管板母材。裂紋的微觀形貌以穿晶擴展為主，局部有沿晶特征。

分析發(fā)現裂紋的斷裂面主要啟裂于角焊縫處，開裂主要是從管板的焊縫處啟裂，即管程側開裂，但也有從殼程側啟裂的。由于裂紋為樹枝狀，且裂紋末端十分尖銳。因此，應力腐蝕是管板開裂的重要原因。

圖5 管橋裂紋微觀形態(tài)

1.4 裂紋斷口腐蝕產物分析

用X射線能譜儀對裂紋斷口進行腐蝕產物分析，分析結果見表2。分析結果表明，斷口上有鈉、氧、硫等腐蝕性元素，其中在每個分析面上均有O和Na的存在

表2 裂紋斷口主要元素分析（w%）

2 開裂原因

從分析結果可見，管板開裂既有從管程側啟裂的也有從殼程側啟裂的。導致管板開裂的原因總結起來主要有以下幾個方面：

（1）由殼程介質（脫氧水）引起的堿應力腐蝕開裂。此種開裂均由殼程側管板與管子連接角焊縫根部啟裂。由于殼程介質是蒸汽與水的混合物。氣-液兩相流是非理想化上的橫向流動的流型。不穩(wěn)定的流動將會誘發(fā)振動導致管子從管孔中松脫，使得管子與管板間產生了縫隙，殼程介質（脫氧水）滲入縫隙中，運行過程中縫隙中的堿濃度不斷濃縮升高，導致焊縫根部在高溫堿環(huán)境下發(fā)生堿應力腐蝕開裂并不斷擴展，直至穿透引起泄漏。造成管子與管板貼合不良的原因是由于脹管質量欠佳。

（2）由于蒸汽發(fā)生器中氣泡破裂產生的爆破力和蒸汽流動對管束造成循環(huán)交變載荷誘發(fā)振動。在管束與管板應力集中處易產生疲勞微裂紋。泄漏的油漿進入微裂紋產生應力腐蝕開裂。管板在疲勞微裂紋處和應力集中處，在管板的溫差應力、氣泡的爆破力、焊接殘余應力、流體誘發(fā)的振動相互疊加的作用下，在高溫重油硫化氫腐蝕環(huán)境下發(fā)生應力腐蝕。

（3）油漿蒸汽發(fā)生器是在疲勞破壞和應力腐蝕的雙重作用下發(fā)生失效的。管子的振動，溫差應力等促進了疲勞，疲勞加速了應力腐蝕開裂，使得管子快速開裂引起失效。

3 改進措施

針對管板開裂的原因，提出以下三點改進措施：減小換熱管無支撐跨距，增加換熱管許用壓縮應力；換熱管與管板的連接結構從強度焊+貼脹更改為強度焊+強度脹，阻止腐蝕介質進入管板與換熱管連接處；提高工藝操作穩(wěn)定性，避免劇烈溫度波動，防止管束振動。

參考文獻

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[3]孫毅，郭建，喬文山.催化裂化油漿蒸汽發(fā)生器的技術改造[J].石油化工設備，2000，21（5）：9-11.

作者簡介：張一帆（1988-），男，安徽省安慶市人，工作單位：中國石油化工股份有限公司安慶分公司，職務：助理工程師，研究方向：石油化工設備管理。