转化气锅炉给水预热器管板焊缝裂纹及处理

四川美丰化工股份有限公司15万t/a合成氨装置转化气锅炉给水预热器在2011年3月2日出现管程泄漏。拆检发现换热管与管板焊缝处的换热管管壁有8处穿透性裂纹，其中3根管壁已裂成大的孔洞，且管板下半圆部分该位置处还有很多浅表性裂纹。当时对裂成大孔洞的管壁采取了堵管，其余裂纹打磨干净后进行补焊处理。补焊时又发现最初按规范使用不锈钢与碳钢焊接的异种钢焊接的焊条（如A₃O₂）在焊接过程中边焊边裂，无法成型达到要求。最后使用该设备厂家推荐的异种钢焊丝（ERNiCr-3）焊接才合格。同年年底大修时发现又有很多和上次一样的裂纹且已开始泄漏。

合成氨装置转化气锅炉给水预热器换热管为U型管，直管段长2200 mm，换热管与管板的连接为强度焊+贴胀，换热管的排列方式为正方形排列，换热管伸出管板端面长度1.5 mm，管板厚度188 mm，管板上换热管孔为Φ19.25 mm^{+0.15 mm}。

为了彻底解决管板与换热管焊缝腐蚀泄漏问题，进行了原因分析和处理。

1.露点腐蚀

（1）该换热器140 ℃左右的锅炉给水走管程，含9.5%左右的CO₂、压力为3.0 MPa左右的转化气走壳程。设计时，换热面积偏大，加上实际运行的负荷低、负荷变化大，此时壳程介质——转化气温度在出口端会降至露点（设计露点温度为185 ℃）以下，而转化气中的CO₂在潮湿的环境易生成CO₃^2-（CO₂分压约0.1 MPa时），形成露点腐蚀。

（2）实际操作的水碳比较理论高（理论上为3.2左右，实际控制在3.6～3.8），加上空气盘管所需约2 t的保护蒸汽，使进锅炉给水预热器的水蒸气分压更高，工艺介质温度易降至露点温度以下，形成露点腐蚀。

2.间隙腐蚀和应力腐蚀

该设备为卧式安装，换热管与管板的连接为强度焊+贴胀，换热管与管板之间存在间隙，而在露点下生成的CO₃^2-易在该缝隙区域聚集且不易流动，从而形成间隙腐蚀。该区域的管道因胀接和强度焊接而产生的焊接应力又无法消除，又形成应力腐蚀。

3.换热管材质

对于用异种钢焊接的焊条（如A₃O₂）补焊时出现的边焊边裂问题，应该是该换热管材质不稳定引起的。该换热管材质设计为15CrMo，为常用普通材料，其焊接性能良好，不应发生该现象，可能是该材料成分偏析和组织的不均匀引起。

针对上述原因，利用年底大修停车机会对转换气锅炉给水预热器出现的问题采取了处理措施。

1.改进设备结构和材质。通过分析认为，形成露点腐蚀原因中的负荷低、水碳比高的唯一可解决办法就是提高壳程介质温度。为此，采取减小换热面积，使壳程介质经该设备冷却后的温度位于露点温度之上。具体措施为：保留设备壳程筒体、管箱和整个设备的外形尺寸不变；重新设计管板，换热管由Φ25 mm×2.5 mm改为Φ19 mm×2 mm，换热管数量由454根减为284根，管间距由32 mm增大至40 mm，换热管材质由15CrMo 改为不锈钢0Cr18Ni9，换热面积由71.7 m² 减为35.3 m²。

2.在操作运行调节上，避免大幅度偏离设计参数，尽量避免低负荷运行，实际水碳比与理论值相差不宜太大；控制管程介质——锅炉给水的水质，确保其Cl-含量低于100 mg/L以下，以确保该设备不发生氯离子腐蚀。

改造后，从大修开车及随后的正常运行情况来看，设备的运行参数与设计参数基本一致，且未发生类似的裂纹现象，确保了该设备的安全稳定运行。