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鈦制再沸器管板接頭焊縫腐蝕開裂的原因及改進措施

文檔作者：劉儉國文檔來源：寶鈦集團有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年10月19日
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Vol. 25，No. 6，2006
圖1 鈦制再沸器結構示意圖
Fig.1 Structure profile of titaniumreboiler
鈦制再沸器管板接頭焊縫
腐蝕開裂的原因及改進措施
劉儉國
( 寶鈦集團有限公司, 陜西寶雞721014)
收稿日期：2006- 04- 24
作者簡介：劉儉國, 男, 1964 年生, 工程師, 寶鈦集團有限公司銷售處, 陜西寶雞721014, 電話: 0917- 3382140
摘要：鈦制再沸器是維尼綸生產廠醋酸精餾系統(tǒng)中的重要設備, 使用工況苛刻、復雜, 投入使用2 年后, 發(fā)現管板
與換熱管接頭連接處焊縫產生腐蝕開裂。從鈦制再沸器的選材、設計、制造、運行狀況、使用條件、應力狀態(tài)等幾方面
入手, 分析管板接頭焊縫產生腐蝕開裂的原因是: ①工作介質醋酸酐和甲酸含水量低, 不能維持鈦在沸騰醋酸中的鈍
態(tài); ②在環(huán)境介質中, 鈦制再沸器管板接頭焊縫長期受交變應力的作用, 導致管板焊縫開裂。提出了避免鈦制再沸器
管板接頭腐蝕開裂的4 項措施。
關鍵詞：鈦再沸器; 交變應力; 脹接; 焊接
中圖法分類號：TG 146.2+3 文獻標識碼: A 文章編號: 1008- 5939( 2006) 06- 038- 04
1 問題的提出
鈦制再沸器是維尼綸生產廠醋酸精餾系統(tǒng)中的
重要設備, 使用工況復雜、苛刻( 見表1) 。該設備自投
入運行, 一直正常工作, 在2 年后的系統(tǒng)維修時, 發(fā)現
部分管板與換熱管連接接頭焊縫產生腐蝕開裂。問題
出現后, 設備制造單位和使用單位組織有關技術人員
分析了設備的選材、制造工藝、檢驗、使用條件及應力
狀態(tài)等綜合情況, 以找出設備管板接頭焊縫產生腐蝕
開裂的原因, 提出具體的改進方案和措施。
2 鈦再沸器的制造
鈦再沸器結構如圖1 所示, 其技術特性指標見
表2。該設備為I 類壓力容器, 按照GB151- 89《鋼制
管殼式換熱器》[1]及陜DB3465- 86《鈦制列管式換熱
器技術條件》進行制造、檢驗和驗收, 并符合國家勞
動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定。與
殼程介質接觸的為不銹鋼, 與管程介質接觸的為工
業(yè)純鈦, 管板采用鈦- 鋼( TA2/1Cr18Ni9Ti) 復合板, 換
熱管選用標準尺寸為φ25mm×2mm×3 000 mm TA2
管, 符合GB3625- 83《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金
管》, 管板覆層、換熱管及焊絲的化學成分和力學
性能分別見表3 和表4。鈦制再沸器的管頭板接采
用貼脹加強度焊, 其結構示意圖見圖2。
表1 鈦制再沸器的使用工況
Table 1 W orking condition oftitanium reboiler
殼程管程
蒸氣壓力/MPa 入口溫度/℃ 介質壓力/MPa 出口溫度/℃
0.6 160 0.06 135～140
研發(fā)與應用
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2006年25卷第6期 稀有金屬快報
焊接
層次
1
2
TA2 3 130 12 3
自熔110 14 3
焊接電流
/A
氬氣流
/L·min- 1
電極直徑
/mm
焊接
材質
焊絲直徑
/mm
表5 管板接頭焊接參數
Table 5 W elding param eters oftube-plate junct
表3 管板覆層、換熱管及焊絲的化學成分
Table 3 C hem icalcom position oftube-plate coating,heatexchanertube,and solderw ire
名稱材質
Fe Si C N H O Ti
管板覆層TA2 0.11 0.04 0.02 0.03 0.003 0.11 余量
換熱管TA2 0.12 0.04 0.02 0.013 0.001 0.15 余量
焊絲TA2 0.12 0.04 0.01 0.015 0.002 0.13 余量
化學成分/%
脹接采用機械脹管法進行貼脹。焊接采用手工
鎢極氬弧焊, 直流正接法, 先添加焊絲焊一層, 再自
熔焊一層。焊接規(guī)范參數見表5。管板接頭脹接和焊
接后進行檢查, 結果符合設計圖樣及有關標準要求,
焊縫表面呈銀白色。經100% 表面滲透檢測, 按
JB4730- 94《無損檢測》標準評定, 結果判定為Ⅰ級,
且未發(fā)現任何缺陷。對殼程以1.1 MPa 水壓進行壓
力試驗。檢查所有管板接頭焊縫, 未發(fā)現泄漏和任何
異常情況。
3 鈦制再沸器的運行狀況及工作介質
3.1 運行觀察
現場觀察鈦制再沸器在醋酸精餾系統(tǒng)中的運行
情況, 發(fā)現鈦制再沸器有振動現象。
3.2 工作介質分析
從醋酸乙烯( VAC) 裝置中取樣, 對鈦制再沸
器的工作介質進行分析, 結果見表6。
4 鈦制再沸器管板開裂腐蝕情況及分析
4.1 管板的腐蝕及開裂情況
4.1.1 管板腐蝕情況
( 1) 上管板的管板接頭焊縫有輕微腐蝕, 有一個
管板接頭焊縫腐蝕較嚴重, 管板覆層表面有均勻腐
蝕情況。
( 2) 下管板管板接頭焊縫余高基本腐蝕掉, 與
表4 管板覆層、換熱管及焊絲的力學性能
Table 4 M echainicalproperty oftube-plate coating,heatexchangertube,and solderw ire
名稱材質
σb
/MPa δ5
/% 彎曲角/( °) 剪切強度/MPa 貼合率/%
管板覆層TA2 516 28 大于90 140 大于98
換熱管TA2 525 23
焊絲TA2 515 11
力學性能復合板性能
圖2 管板接頭結構示意圖
Fig.2 Structure profile of tube- plate Junct
表2 鈦制再沸器技術特性
Table 2 Technicalcharacteristics oftitanium reboiler
設計壓力/MPa 操作壓力/MPa 設計溫度/℃ 操作溫度/℃ 工作介質換熱面積
/m2
設備質量
殼程 管程 殼程 管程 殼程 管程 殼程 管程 殼程 管程 /kg
0.80 0.26 0.8 0.06 200 135 200 135 蒸氣( S6) 醋酸205 4 417
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Vol. 25，No. 6，2006
管板表面平齊; 管板覆層表面有均勻腐蝕情況; 管頭
焊縫熱影響區(qū)腐蝕嚴重, 腐蝕厚度比管子內壁表面
深約0.1~0.2 mm,長度約3 mm, 如圖3 所示。
( 3) 上、下管板與管箱連接的密封面內側已腐蝕
出凹槽, 寬約4~16 mm 不等, 深約0.3~0.4 mm。
( 4) 對抽出的換熱管取2 支稱重, 質量為3.05 kg,
比理論質量減少了0.86 kg, 經推算壁厚減薄了
0.47 mm, 說明換熱管內表面已發(fā)生了均勻腐蝕。
4.1.2 管板接頭的開裂情況
( 1) 上管板的管板接頭用肉眼觀察無明顯的開
裂。據用戶介紹, 用供熱網路為0.6 MPa 蒸氣壓力試
漏, 壓力升至0.1 MPa( 壓力表顯示) 時發(fā)現6 個管板
接頭泄漏。
( 2) 下管板的管板接頭有17 個明顯開裂, 開裂
位置主要分布在管板的中部區(qū)域, 且無規(guī)則排列。
4.2 管板腐蝕開裂原因分析
從選材、制造、檢驗等方面分析該設備完全符合
國家有關法規(guī)、標準, 而且設備投入運行2 年多時
間, 使用一直正常, 表明該設備的制造質量是可靠
的。導致設備管板腐蝕開裂原因應與工作介質和使
用條件等有關。
4.2.1 工作介質的影響
從表6 可以看出, 工作介質存在醋酸酐、甲酸等
組分, 且不含水。有關文獻介紹, 鈦在醋酸中的腐蝕
破壞與介質的組成和操作工藝有很大關系。在含醋
酸酐的濃醋酸中, 鈦不僅遭受嚴重的均勻腐蝕, 而且
有點蝕傾向。在高溫甲酸和乙酸的混合酸中, 鈦易發(fā)
生比較嚴重的縫隙腐蝕。在無水醋酸中, 鈦的腐蝕率
很高。為了維持鈦在沸騰醋酸中的鈍態(tài), 濃醋酸中的
含水量必須接近0.06%, 且使鈦處于鈍態(tài)所必須的
水的濃度隨溫度的下降而降低[2]。由此可見, 介質中
存在醋酸酐、甲酸等易使鈦的鈍化膜破壞的成分和
不含能使鈦在沸騰濃醋酸中鈍化的水分, 均給鈦制
再沸器管板接頭腐蝕開裂創(chuàng)造了條件。
4.2.2 使用條件的影響
該鈦制再沸器為原舊設備的替換設備, 在重新
轉化設計時, 用戶要求將換熱面積增加25%, 即換熱
管數量增加25%。如果蒸氣入口尺寸不增加或蒸氣
溫度和系統(tǒng)壓力不增加時, 在使用過程中就必須延
長加熱時間才能將換熱管中的醋酸加熱到所需溫
度, 在此期間將可能使大量的蒸氣變?yōu)槔淠?。眾?
周知水蒸氣變?yōu)樗畷r, 將會產生強烈振動, 這樣設備
將在交變載荷作用下運行。換熱管與管板焊縫連接
處處于受力最大的高應力區(qū), 在交變應力作用下, 焊
縫所承受的應力超過屈服極限時, 晶界產生滑移, 并
逐漸發(fā)展成微小裂紋, 且裂紋不斷擴展, 最后導致焊
縫開裂, 甚至破壞[3]。開裂的管板接頭大部分位于管
板的中部。這主要是因為在設備使用時, 受折流板的
影響, 蒸氣在流動過程中, 隨著蒸氣流動方向的突然
改變和流通面積由大變小, 由小變大的幾次變化, 此
區(qū)域內分布的換熱管所受的交變應力也最大, 而且,
由于設備結構和制造等原因, 此區(qū)域內分布的換熱
管所受的應力也最大。由此可見, 應力的存在是管板
接頭腐蝕開裂的直接原因。
檢驗項目C6H6 C4H6O ( CH3COO) 2CHCH3 ( CH3CO) 2O CH3COOC4H9 C2H5COOH HCOOH VAC
結果0.010 4 <0.000 2 <0.002 1.56 0.046 <0.01 <0.005 0.01
表6 鈦制再沸器工作介質分析檢驗報告（% ）
Table 6 C hecking reportofw orking m edium oftitanium reboiler
圖3 管板接頭焊縫熱影響區(qū)腐蝕狀況示意圖
Fig.3 Schematic diagram of crossion condition in weld heat
affected zone of tube- plate joint
研發(fā)與應用
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5 改進建議
( 1) 由于種種原因, 鈦制再沸器不可避免地會發(fā)
生氣變液的情況, 使管板接頭受交變應力的作用。
建議在設備介質為氣相或氣液共存時, 為減少交變
應力對管板接頭焊縫的影響, 將管板光孔脹接加焊
接( 圖2) 改為管板孔內開槽脹接加焊接的方式連
接, 見圖4。
( 2) 設計時, 對鈦再沸器類設備或承受交變應力
的設備應進行交變應力校合。
( 3) 制造時, 對再沸器類設備或承受交變應力的
設備管板接頭焊接時, 應盡量選擇塑性好、純度高、
抗裂紋性能好的焊絲及焊接材料。
( 4) 鈦制再沸器在沸騰的濃醋酸中使用時, 工藝
上應保證其含水量足以使鈦鈍化。在含有醋酸酐和
甲酸等成分的沸騰濃醋酸中使用鈦時, 設備材料應
盡量選用TA9, TA10 合金。
參考文獻R eferences
[1] National of Technigue Committee of Pressure Vessure
Standard( 全國壓力容器標準化技術委員會)[S].GB151- 89
Steel Shell and Tube Heat Exchangers( GB151- 89《鋼制管
殼式換熱器》) , Beijing:China Standard Press,1989
[2] Shi Yufeng ( 石玉峰) .Technology and Application of Titanium
( 鈦技術與應用) [M].Xi’an:Shaanxi Science Press,
1990
[3] Xin Xiangjie ( 辛湘杰) .Crossion,Protection and Application
in Industry for Titanium( 鈦的腐蝕、防護及工程應用) [M].
Hefei:Anhui Science and Technology Press,1988
圖4 管板孔內開槽脹接加焊接接頭示意圖
Fig.4 Shape of junction for expanding- connection by notching in
insid wall of hole of tube- plate then welding
Reasons for Tubeplate J oint Welds Cor r osion Cr acking of
Titanium Reboiler and Cor r ection Measur es
Liu Jianguo
( Baoti Group Co.,Ltd., Baoji 721014, China)
Abstr act: Titanium reboiler is the main equipment in the acetate rectification system whose operation condition is very complicated.
Corrosion cracking was found at the welds between tubeplate and heat exchanger joints after 2 years operation. Analyzing from several
aspects such like material selection, design, manufacturing, operation condition, stress condition etc., the reasons for corrosion cracking
are as follows: (1) Water content is low in the working medium such like acetic anhydrided and mathanoic acid, titanium can not keep
its passivity in the boiling acetate solution; (2) At the environment medium, the tubeplate joint welds of titanium reboiler were
constantly effected by the alternation stress, welds cracking was occurred in the end. Four correction measures are put forward to avoid
tubeplate joints corrosion cracking for the titanium reboiler.
Keywords: titanium reboiler; alternating stress; expansion connection; welding
Biogaphy: Liu Jianguo, Engineer, Sales Department, Baoti Group Co., Ltd., Baoji 721014, P.R. China, Tel: 0086- 917- 3382140

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