油浆蒸汽发生器管板裂纹成因分析

$ 改造方案及核算结果
$"% 改造方案
# 结语
（!）目前装置已经按本改造方案进行了技术 改造，开车后完全达到改造设计要求，产品质量 合格，能力满足丙烯腈装置扩能需要，装置运行 良好。 （(）用液相活度系数法及回归修正的二元交 互作用参数建立的乙腈精制流程模型得到的计算 结果与实际生产装置很一致，能够用于新装置的 设计和现有老装置的挖潜改造，有利于提高产品 质量，增产增效。
张明广! 摘要 中国石化沧州炼油厂 沧州 #(!###
利用失效分析的方法，对沧州炼油厂重油催化油浆蒸汽发生器管板裂纹的形成进行分析，并 油浆蒸汽发生器 管板 裂纹
提出预防措施。
关键词
沧州炼油厂重油催化油浆蒸汽发生器于 !")% 年 ) 月投产。该油浆蒸汽发生器公称直径为 %##**， 筒 体 材 料 为 !(+,-， 管 板 材 料 为 !(+,.，管子材料为 &# 号钢；壳程介质为蒸汽 和 水， 其 操 作 压 力 为 !/$+01， 操 作 温 度 为 !2#3 ；管 程 介 质 为 催 化 油 浆， 其 操 作 压 力 为 !/&+01，操作温度为 $##3 。!""" 年 $ 月油浆蒸 汽发生器管束管头焊缝开裂，) 月份对油浆蒸汽 发生器进行整体更换，!""" 年 !# 月更换后的油 浆蒸汽发生器管束管头焊缝再次开裂。 油浆蒸汽发生器管板开裂，导致油浆泄漏到 壳程中，严重影响了设备的正常运行。因此，对 油浆蒸汽发生器管板开裂原因进行分析并提出有 效的防治措施是很有必要的。
! 微观形貌分析
图 ! 是管桥裂纹的微观形貌。在管桥焊肉处 开裂成一条主缝，主裂纹扩展到一定尺寸后分 叉，呈现应力腐蚀特征。
高，应力腐蚀敏感性பைடு நூலகம்大。
# 介质分析
取管束油浆进行化学成分分析，结果见表 !。
表!
,*7%+ ./ 0 8 12! 3 8
油浆成分分析
-.4 8 5! 0 存在 电导 8 5（,,6） &7"+
从表 ! 中可见，管束油浆中有 5! 0 及 5 的存 在，会造成碳钢的应力腐蚀。
$ 开裂原因
从裂纹形貌分叉特征可以看出管板裂纹是应 力腐蚀裂纹。发生应力腐蚀开裂的主要因素有两
图! 管桥裂纹的微观形貌 "#$
个：!存在腐蚀介质；"存在较高的应力。沧州 炼油厂炼制的胜利原油含硫量较高，是导致应力 腐蚀开裂的原因之一；另外，从上述的金相分析 可以看出，管板焊接后未进行焊后热处理，而对 于管板上这种大厚度小焊脚焊缝，会存在较大的 焊接残余应力。正是由于以上两个原因，导致了 管板开裂。
参
!
（!）脱氢氰酸塔增加 !# 块塔板，常压操作， 加一股从产品塔顶返回脱氢氰酸塔的物流，回流 比略微减小，这样就增加了塔的处理能力，提高 了对氢氰酸、丙烯腈轻组份的分离能力，防止杂 质在系统中累积。根据此条件计算得到的共沸物 中氢氰酸、丙烯腈的含量，确定反应器常压操 作，操作温度 $"% ，停留时间不小于 &’，就可 以达到脱除残余氢氰酸、丙烯腈的目的。 （(）乙腈干燥塔增加 !" 块塔板，减压操作， 能更好地分离杂质丙腈。 （&）产品塔塔板数不变，提高操作压力，使
显微镜下对其焊接接头进行观察分析。 图 ! 是管板与管头焊接处的显微组织。其中 图 !（ 1）是焊缝组织，呈现出柱状树枝晶的特 征。从柱状的铁素体主干向两侧生长着铁素体分 支，这种柱状树枝晶具有各向异性的特征。在柱 状晶之间聚集着夹杂，产生成分偏析，使机械性 能和抗腐蚀性能降低。图 !（ 4）是熔合区组织， 可以看到在焊肉一侧的柱状晶和在热影响区一侧 的等轴晶组织。图 !（ 5）是热影响区过热区组 织，其中含有铁素体贝氏体和魏氏组织，上贝氏 体的出现会使材料变脆，这种组织强度较高，但 其韧性和塑性差。上贝氏体的形成与冷却速度有 关，冷却速度过大，也必将引起残余应力的增 加。根据这些组织可以初步确定，在管板和管头 焊接时，可能焊前未预热，焊后未进行去应力处 理，使得焊接残余应力没有充分释放。
产品塔塔顶物流含水量在 (&) 左右，塔顶采出 量与进料量之比可以减少到 "*+, 左右。 （+）减少进入反应器的产品塔顶不凝气量， 加上一股直接进入乙腈干燥塔的产品塔顶液相返 回物流，减少乙腈经过反应器时的分解损失。 $"! 核算结果
（!）采用 #$) 的回收率，用所建模型按改 造工况计算乙腈产品纯度为 --*-) 。 （(）用物料衡算结果进行设备核算，塔设备 选用高效塔盘后，经水力学计算能够满足需要。 原有 !! 台换热器进行核算后，只有两台需要更 换。原有 (, 台泵 经 核 算 后，有 , 台 需 要 更 换。 装置消耗定额也相应减少。
! 金相组织分析
在管板开裂部位取样，制备成金相试样，在
图!
管板焊接接头的显微组织
!张明广：技术部主任，工程师，!""! 年毕业于抚顺石油学院机械制造专业，现在华东理工大学机械工程学院读硕士学位。联系 电话： （#$!%）&#’&(’(。
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张明广
油浆蒸汽发生器管板裂纹成因分析
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张明广油浆蒸汽发生器管板裂纹成因分析除然而这同样会增加乙腈的水解降低了反应收率所以要使共沸物中的氢氰酸和丙烯腈杂质在脱氢氰酸塔中得到较好的分离尽可能减少反应时间控制好反应温度和加碱量提高乙腈回收率
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化工设计 &##&， （2） !&
油浆蒸汽发生器管板裂纹成因分析
图 % 是裂纹尖端形貌与显微组织。从中可以 看出，多数裂纹都穿晶行走，穿越晶粒内部。
% 预防措施
为了防止管板产生裂纹，应从预热、焊接和
图% 裂纹尖端形貌与显微组织 !##$
焊后热处理等方面采取措施。 %&’ 预热和焊接 管束与管板的焊接采用钨极氩弧焊，主要是 由于其热量集中，保护效果好，熔池体易于控 制，使用钨极氩弧焊的焊缝及近缝区均不易过 热，这样可有效地防止裂纹。焊前要进行 &## 9
参
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考
文
献
孙毅，郭建 * 石油化工设备技术，("""（$） 1 - 2 !! 王琛，万庆树 * 石油化工设备，!--.（+） 1 &, 2 &. 天津大学 * 工程焊接冶金学（第一版） * 机械工业出版社， !--&
图+
焊后热处理工艺曲线图
（收稿日期
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除应力处理。其工艺为加热到 ,""% ，保温 "*$’
&"#: 预热，以减少残余应力，改善组织，防止 裂纹。预热方法用电加热板或煤气加热均可，焊 接层数为两层，两层焊接接头处应错开，以避免 贯穿性针孔等焊接缺陷。其工艺参数见表 %。
表% 焊接工艺参数
第一点 第二点 第三点 平均值
从管板硬度测量结果看出，裂纹处焊缝及管 桥硬度明显高于未发生裂纹处，且管桥及焊缝硬 度明显高于管板硬度。从有关文献得知，硬度越
裂纹 硬度 % %#( !’( %#) %#& 焊条直径 焊接电流 电弧长度 气体流量 喷嘴直径 （66） （ ;） （66） （ / 8 6<=） （66） 极性
" 硬度测试
管板硬度测量结果见表 &。
表&
项目
管板硬度测量结果
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未发生 裂纹 管板硬度 裂纹焊缝 硬度 & 及管桥硬度 &!’ &#" &%# &!& &(" &*’ &’" &’+ %") %#( %%+ %%%
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化工设计 (""(， （$） !(
除，然而，这同样会增加乙腈的水解，降低了反 应收率，所以要使共沸物中的氢氰酸和丙烯腈杂 质在脱氢氰酸塔中得到较好的分离，尽可能减少 反应时间，控制好反应温度和加碱量，提高乙腈 回收率。试算表明当脱氢氰酸塔板数增加三分之 一时，共沸物中的氢氰酸和丙烯腈杂质含量能减 少几个数量级，这样反应时间就可以减少很多。 同样，当干燥塔板数增加 !" 块时，塔顶物流中 的丙腈等杂质含量也能有数量级的减少。 !"# 防止微量杂质累积 微量杂质 在 系 统 中 会 有 累 积，影 响 产 品 质 量，所以需要从加压塔顶抽出一股物流返回到脱 氢氰酸塔，防止微量杂质累积，同时有利于氢氰 酸和丙烯腈的分离。
（上接第 &. 页）
考
文
献
吴俊生，邵惠鹤编 * 精馏设计、操作和控制 * 北京：中国石 化出版社，!--.
（收稿日期
(""( / ". / (-）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! &"! 焊后热处理 为了降低管头的应力水平，应对管头进行消 的焊后热处理工艺，入炉温度小于 !.% ，升温 速度为 (""% 0 ’，保温温度为 ,""% ，保温时间 为 "*$’，降 温 速 度 为 !#"% 0 ’，出 炉 温 度 小 于 (."% ，出炉后保温缓冷。图 + 是焊后热处理工 艺曲线图。