工业合成氨工艺中,中置锅炉是一种废热回收装置,故而又被称为废热锅炉。中置锅炉主要通过管程吸收氨合成塔产生的混合气体的热量,对壳程中的水进行加热,以达到废热回收的目的。氨合成塔产生的混合气体主要由N2、H2以及NH3等气体组成,从氨合成塔出来时仍处于高温高压的状态,经中置锅炉回收后,可使合成气有效降温,同时利用余热产生副产蒸汽。但在实际应用过程中,中置锅炉失效问题时有发生。因此,对中置锅炉失效问题及成因进行分析,并探讨其改进措施,具有重要的现实意义。
合成氨废热锅炉结构属于管壳式结构,通常具有两种形式,其一是联箱式,其二是管箱式。废热锅炉壳体主要由Q345R材质制成,列管则主要由OCr18Ni9Ti或10Mo WVNb材质制成,详细结构如下图所示。
由于废热锅炉管程及壳程通过的介质不同,其工艺特点及相关要求也具有较为明显的差异。废热锅炉壳程通过的工艺介质以软水和蒸汽为主,工作压力不得高于2.7MPa,工作温度不得高于225℃;废热锅炉管程通过的工艺介质是N2、H2以及NH3组成的混合气体,工作压力不得高于32MPa,工作温度不得高于375℃。
废热锅炉列管裂纹问题多发生于列管设备弯头处。如某公司废热锅炉,设备规格为φ1400.0mm×14.0mm,有效换热面积34.0m2,列管使用10Mo WVNb材质制成,壳程使用Q345R材质制成。设备投用三年时间内,因列管弯头裂纹导致的严重泄露故障6次,给企业的生产造成了巨大的不良影响;再如某公司废热锅炉,设备规格φ1800.0mm×16.0mm,有效换热面积108.0m2,列管使用10Mo WVNb材质制成,壳程使用Q345R材质制成。该设备投入使用不足一年即发生换热管泄露失效故障,维修检查发现泄漏失效由于列管弯头裂纹失效导致。
废热锅炉列管裂纹故障成因,主要存在以下几点可能:一,废热锅炉制造过程中,使用的原始材料存在质量问题,包括化学成分不合格或存在超标缺陷等,导致的设备裂纹;二,设备使用过程中,受超压、超温条件影响,导致列管塑性变形超过列管承受极限导致的裂纹;三,废热锅炉列管弯管处理中,产生的残余应力导致列管弯头存在细小缺陷。设备在实际生产应用过程中,受工作应力及热应力影响,导致缺陷放大造成裂纹。
上述故障实例中,废热锅炉列管均选用10Mo WVNb材质制成,这种材料是我国自主研发的一种特殊钢材,具有抗氢腐蚀、耐热等优点,尤其在高压高温条件下,具有良好的抗腐蚀性。故障实例一中的公司在发现设备裂纹故障后,及对故障列管材料进行了取样分析,实验结果显示,故障列管中的S和P成分存在超标缺陷,故而初步判断故障是由于材料质量问题导致的。
上述实例中,两个公司发现设备失效故障后,均对中央控制室中保存记录的废热锅炉工艺运行数据进行了分析,但均不存在超压或超温现象,可以排除受此影响造成设备失效的可能。随后对设备中通过的水质进行了取样检查,实例二中的公司存在水质合格率频繁波动的问题,相关人员又对故障列管进行腐蚀和结垢检查,虽然发现列管表面存在一定的结垢问题,但程度较为轻微,故而排除水质影响的可能。
上述故障实例中,废热锅炉列管裂纹故障均发生于设备使用不久后,在故障检查过程中,公司维修人员对其他未泄露设备进行了渗透检测,检测结果显示,部分正常列管在弯头处存在微小裂纹。发现裂纹后公司立即与设备制造厂家取得了联系,联合检查后,判断设备裂纹失效故障与换热管冷弯处理有着直接的联系。
对于10Mo WVNb材质制成的列管而言,加强设备材料质量及制造质量控制,是避免设备裂纹失效故障的重要渠道。尤其是换热管弯头部位,受冷弯处理工艺影响,弯头处受到的应力最大,也最容易产生裂纹问题。
此外,就奥氏体不锈钢制成的废热锅炉而言,在水及蒸汽介质中,溶氧量和氯离子浓度也是相关企业需重点控制的指标,如列管表面存在点坑、缝隙等微小缺陷,就会导致氯离子的堆积,进而产生腐蚀裂纹等问题。通常情况下,腐蚀速率与温度间有着一定的联系,温度越高腐蚀速率越快。此外,在氯离子含量相对较少的高温水及热水环境中,氧含量的高低也是影响应力腐蚀破裂的主要因素,因此,控制降低水介质的溶氧量,也可达到减缓应力腐蚀发展的目的。
部分废热锅炉筒体裂纹产生于壳程液位以下区域的环缝处,且裂纹垂直于焊缝,裂纹形状多表现为两头尖、中间粗,逐渐由焊缝向热影响区发展,也就是典型的应力腐蚀裂纹。
有上文介绍可得,废热锅炉壳程压力承受标准为2.7MPa,依据无力矩理论分析可得,锅炉的轴向应力应是环向应力的二分之一,而焊缝裂纹方向主要垂直于主应力方向,逐渐向母材区发展,并相应产生放射状的二次裂纹。
废热锅炉筒体裂纹的产生原因,主要分为以下几种可能:一,设计因素影响。通常情况下,筒体裂纹故障与设备进水管的布置设计间有着一定的联系,如进水管口设计位置过低,就可能受冷热介质接触产生的温度应力影响,导致裂缝的产生。因此,在设备设计阶段,应注意避免过低的进水管布置设计,同时避免进水管口与设备焊缝的直对设计;二,设备制造因素影响。设备制造质量不符合相关规范标准,是导致筒体裂纹的主要原因。因此,在设备制造过程中,除基础的应力消除处理外,还应对设备进行全面的整体应力消除热处理,以避免设备封头位置存在应力残余;三,使用因素影响。水质对于锅炉的使用有着直接的影响,在废热锅炉实际应用过程中,相关工作人员应重点加强水质的氯离子浓度和p H值控制,同时注意设备结垢清洗,以控制设备电化学腐蚀问题的发生。
本文从废热锅炉基本结构和使用工艺要求入手,就其常见失效故障进行了分析。总的来说,相关企业在废热锅炉应用过程中,应全面加强设备质量控制和水质控制,规范使用操作,以避免失效故障的发生。
摘要：氨作为一种重要的化工原料,在化肥、轻工、医药、制冷剂等领域有着极为广泛的应用。合成氨是指在高温高压条件下,直接使用氢和氮原料合成氨的工艺,属于一种无机化工流程。中置锅炉是一种废热回收装置,因此也被称为废热锅炉。笔者从中置锅炉基本结构及工艺特点入手,就中置锅炉常见失效问题及成因进行了分析和探讨,并相应提出了几点改进措施,以供相关单位参考。
关键词：合成氨,中置锅炉,失效原因,改进措施,分析
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