鐘春雷　劉喜文　韓志龍

（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧　大連　116013）

·監(jiān)測與診斷·

余熱鍋爐典型損壞失效形式分析

鐘春雷劉喜文韓志龍

（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧大連116013）

對鍋爐爐管常見損壞失效形式進(jìn)行分析，對各種失效的表現(xiàn)特點(diǎn)及失效原因進(jìn)行了簡單的分析，并作歸納整理。

余熱鍋爐；失效形式；分析

近年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，余熱鍋爐趨向高參數(shù)化，尤其是動(dòng)力系統(tǒng)引入化工生產(chǎn)以后，余熱鍋爐由單純的工藝鍋爐轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)高壓蒸汽的動(dòng)力鍋爐，余熱鍋爐在整個(gè)裝置中地位也發(fā)生了重要的變化，同時(shí)化工生產(chǎn)用余熱鍋爐工作在高溫、高壓、介質(zhì)腐蝕等苛刻條件下，加之受力、結(jié)構(gòu)的流體流動(dòng)的復(fù)雜性，使其成為整個(gè)生產(chǎn)裝置中事故的多發(fā)設(shè)備。

余熱鍋爐是化工生產(chǎn)裝置中的事故多發(fā)設(shè)備之一。雖然近年來余熱鍋爐結(jié)構(gòu)、材質(zhì)有所改進(jìn)，事故比例有所下降，但仍然是影響整個(gè)裝置運(yùn)行的一個(gè)重要因素。國內(nèi)近幾年的生產(chǎn)實(shí)際也表明，無論是從美國、日本、法國德國等引進(jìn)的余熱鍋爐，還是我國自主研制和生產(chǎn)的余熱鍋爐，都先后多次發(fā)生過各種比較嚴(yán)重的事故。

下文介紹了以化工生產(chǎn)為主的余熱鍋爐的幾種失效形式，比較了各種形式的表現(xiàn)特點(diǎn)，并對其失效原因進(jìn)行了簡單的分析。

一、進(jìn)口管板與管口燒損

1.案例簡介

某石化公司二段轉(zhuǎn)化氣臥式火管固定管板式余熱鍋爐，管程工藝氣進(jìn)口溫度889℃，出口溫度616℃：殼程操作壓力4.4MPa，操作溫度256℃。進(jìn)出口管板設(shè)計(jì)厚度均為70mm，材質(zhì)為A182Gr.F12。換熱管束由205根φ50.8mm×5mm、材質(zhì)為A213Gr.T12的爐管組成，管子與管板的連接采用脹焊結(jié)合的方式。停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化氣進(jìn)口高溫端管板、管頭嚴(yán)重?zé)龘p，發(fā)生泄漏。檢查發(fā)現(xiàn)有79根換熱器管存在不同程度的燒損，占換熱管總數(shù)的38%，燒損部位集中在管板中心區(qū)域。

2.原因分析

管板表面燒損物取樣分析，其主要成分為Fe2O3。管板接頭取樣分析組織為鐵素體＋珠光體，有珠光體球化、晶粒度增大等材質(zhì)劣化現(xiàn)象。

該設(shè)備高溫端管板損壞的主要原因如下。

（1）管頭保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)不合理，使高溫氣體沖壞陶瓷纖維后直接沖刷管板、管頭，造成管板、管頭的燒損。

（2）管板較厚，管板、管頭部位傳熱效果較差，造成管板、管頭溫度過高而燒損。

（3）管板兩側(cè)溫差應(yīng)力較大，加速了管板、管頭的破壞。

對于化工行業(yè)用火管余熱鍋爐，由于鍋爐高溫工藝氣體進(jìn)口溫度最高，因此，通常在氣體進(jìn)口端管板和管子連接部位設(shè)置隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)，如耐熱混凝土隔熱層和保護(hù)套管。若隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)不合理，或在鍋爐運(yùn)行過程中隔熱防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞，使管板和管子直接與高溫工藝氣體接觸，由于管板與管端部位傳熱效果較差，會(huì)造成管板、管頭溫度過高而燒損，加之溫差應(yīng)力的作用，會(huì)加劇管板與管子連接部位的損壞。

管板與管口燒損的特征是金相組織發(fā)生變化。對于碳鋼管板和換熱管，主要表現(xiàn)為高溫氧化和在370℃左右出現(xiàn)脫碳，造成強(qiáng)度下降。而對奧氏體不銹鋼，如1Cr25Ni20，在550~950℃時(shí)會(huì)析出硬且脆的σ相，引起管板和換熱管脆化。

3.解決方案

將金屬保護(hù)套管結(jié)構(gòu)改為專利陶瓷保護(hù)套管結(jié)構(gòu)，避免了高溫氣流直接接觸管板、管頭部位而造成管板、管頭燒損。

采用了新型結(jié)構(gòu)的薄管板代替厚管板，降低管板溫差應(yīng)力，并改善管板傳熱效果。

二、內(nèi)漏

余熱鍋爐內(nèi)漏是指鍋爐高溫工藝氣與水汽側(cè)之間的泄漏。內(nèi)部泄漏失效形式較多，主要有爐管與管板連接部位泄漏、爐管斷裂和管板穿透性裂紋等幾種形式。

1.案例簡介

某廠轉(zhuǎn)化氣火管式余熱鍋爐。殼程爐水側(cè)壓力為12.8MPa，管程二段氣轉(zhuǎn)化氣壓力為2.96MPa，正常操作工藝氣入口溫度為869℃，出口溫度為479℃。內(nèi)漏情況出現(xiàn)時(shí)表現(xiàn)形式為，出口排氣溫度下降，并出現(xiàn)跳動(dòng)，儀表指示鍋爐產(chǎn)汽量明顯低于鍋爐上水量。

2.事故原因分析

（1）對現(xiàn)場鍋爐的排氣溫度、鍋爐上水、產(chǎn)蒸汽量指示儀表分別進(jìn)行了校驗(yàn)，排除了儀表指示失真。

（2）對場各排污閥門進(jìn)行檢查，確認(rèn)都在正常運(yùn)行位置，沒有大量跑水的現(xiàn)象。

（3）保持前系統(tǒng)工藝蒸汽穩(wěn)定，監(jiān)測下游工藝?yán)淠毫髁?，與設(shè)備正常時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)冷凝液流量增加2~4t。

（4）對裝置前系統(tǒng)優(yōu)化操作保持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免因負(fù)荷等波動(dòng)影響判斷。

（5）查找鍋爐運(yùn)行期間出現(xiàn)的問題，判斷泄漏的可能性，并制定緊急情況下的應(yīng)急預(yù)案。因整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化操作保持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免因負(fù)荷波動(dòng)影響判斷。

3.內(nèi)漏事故處理

因整個(gè)系統(tǒng)裝置蒸汽不足，廢熱鍋爐長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，并已經(jīng)使用了11年；在鍋爐使用過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過爐水指標(biāo)控制不嚴(yán)，在pH值較低情況下運(yùn)行。為了維持裝置繼續(xù)運(yùn)行，對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整。在裝置負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，盡量降低水/碳比，減少工藝蒸汽加入量。加強(qiáng)工藝氣管道疏水，現(xiàn)場做好安全監(jiān)護(hù)，防止發(fā)生火災(zāi)事故。對下游系統(tǒng)高變及低變催化劑進(jìn)行阻力監(jiān)測，提高低變催化劑入口溫度到210℃操作，防止有水浸泡催化劑使其粉化造成阻力增加，影響催化劑活性。

三、超溫爆管

超溫引起過熱是導(dǎo)致廢熱鍋爐爆管的一種典型形式，也是廢熱鍋爐所面臨的主要問題之一。超溫指鍋爐運(yùn)行的溫度條件已經(jīng)超過了鋼材的設(shè)計(jì)溫度或額定溫度。鍋爐運(yùn)行過程中，由于爐管結(jié)垢、水循環(huán)惡化等原因，鍋爐的傳熱過程進(jìn)行得不好，熱量不能及時(shí)從管壁上帶走而使管壁溫過高。超溫運(yùn)行往往使?fàn)t管發(fā)生過熱失效，而過熱失效的最終結(jié)果是爐管爆裂。

盡管爐管發(fā)生爆裂的原因是多方面的，通常是幾種因素綜合作用的結(jié)果，但是最終大都可以歸結(jié)為超溫和腐蝕導(dǎo)致強(qiáng)度不足而爆裂。

1.事故簡介

某廠引進(jìn)的Kellogg工藝30萬t合成氨裝置中第一廢熱鍋爐，屬刺刀管式水管鍋爐。其中一臺(tái)殼程水汽側(cè)壓力為10.34MPa，管程工藝氣壓壓力為3.03MPa、溫度約為1003℃。

鍋爐爆裂前系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是刺刀管廢熱鍋爐后面的第二廢熱鍋爐的出口安全閥突然起跳，沒有查出起跳原因，事故發(fā)生時(shí)安全閥又起跳。廢熱鍋爐底部排出了大量爐水，爐水進(jìn)入高溫變換從消音器冒出。上述現(xiàn)象表明，廢熱鍋爐已發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)漏。緊急停車后吊出管束進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）工藝氣進(jìn)口氣體分布器由于焊縫處未焊透，在運(yùn)行中被沖破了兩個(gè)大口。

（2）氣體分布器破口高溫氣沖刷部位有2根爐管破裂，其中一根端部帽中心裂開，離管端140mm處的爐管上有一爆破口，破裂口寬度為25mm，長度為100mm左右，爆破口有很大的鼓肚，附近管壁變得很薄，具有短期過熱爆管特征；在與裂口同一軸線方向上，有9條裂紋。

（3）在爆裂的2根爐管四周有13根爐管過熱，端部有燒結(jié)的小黑顆粒，整個(gè)外表面成黑色，與其他爐管顏色有明顯不同。

（4）管束折流板斷裂彎曲，使另一爐管被磨通，環(huán)向斷裂縫寬23mm。

（5）鍋爐內(nèi)壁襯里板上，在第四節(jié)120°～360°范圍內(nèi)有縱橫交錯(cuò)裂紋多條，最長達(dá)300mm。

2.事故分析

廢熱鍋爐在運(yùn)行中，由于氣體分布器的焊縫開裂，造成高溫工藝氣嚴(yán)重偏流。大量高溫氣體通過分布器的裂口直接沖刷爐管，爆破處局部熱流強(qiáng)度過大，造成了此處沸騰危機(jī)，因而壁管超溫使得管材金屬材料的強(qiáng)度顯著下降，造成爐管過熱爆裂，金相分析發(fā)現(xiàn)，燒壞的爐管晶粒粗大，確認(rèn)屬短期過熱爆管。同時(shí)氣體偏流造成管束劇烈震動(dòng)，使?fàn)t管與折流板強(qiáng)烈摩擦而使另外爐管破裂。

爐管破裂后，高壓爐水漏入高溫工藝氣中，一方面使工藝氣出口溫度降低，同時(shí)也使工藝氣的壓力波動(dòng)，造成安全閥起跳。爐水從爐管裂口處噴出，飛濺至鍋爐內(nèi)壁，使高溫壁面受到冷激而產(chǎn)生大量裂紋。

四、低溫腐蝕

實(shí)際的檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)，石化行業(yè)的余熱鍋爐的煙氣中，常含有一些腐蝕性氣體和腐蝕性物質(zhì)，如硫的氧化物，釩的氧化物，硫酸鹽絡(luò)化物等。這些物質(zhì)對余熱鍋爐會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)使鍋爐遭到損壞。當(dāng)進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣中含有二氧化硫時(shí)，其中一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成三氧化硫，并與煙氣中的水蒸汽結(jié)合生成硫酸蒸汽，且能顯著地提高煙氣的露點(diǎn)溫度，在低溫金屬表面上凝結(jié)形成硫酸溶液，與堿性灰反應(yīng)，也與金屬反應(yīng)，因而產(chǎn)生腐蝕。由于經(jīng)常發(fā)生在鍋爐的低溫受熱面上，故稱低溫腐蝕。

1.事故簡介

某余熱鍋爐為分離式熱管性，受熱面為熱管的蒸發(fā)段，采用針形管作為強(qiáng)化受熱面。鋼管材質(zhì)為20G，規(guī)格為φ42×3mm，設(shè)計(jì)煙氣流量14000m3/h標(biāo)態(tài)，煙氣進(jìn)口溫度260℃，出口溫度225.6℃。受熱面發(fā)生低溫腐蝕后，經(jīng)仔細(xì)觀察，受熱面下部積灰多且厚，呈雪片狀，敲擊能剝落。管子爛穿點(diǎn)發(fā)生在水進(jìn)入熱管蒸發(fā)段的起始點(diǎn)。根據(jù)積灰和粉塵性質(zhì)及溫度等的分析，認(rèn)定為受熱面低溫腐蝕。

2.防治措施

（1）減少煙氣中三氧化硫的數(shù)據(jù)，這不但能降低露點(diǎn)，而且減少了酸液凝結(jié)量，可使腐蝕減輕。具體措施包括燃料脫硫、低氧燃燒、加吸收劑法。

（2）適當(dāng)提高金屬壁溫，在設(shè)計(jì)時(shí)加以綜合考慮，使之高于煙氣酸露點(diǎn)，至少應(yīng)提高于腐蝕速度最快時(shí)的壁溫。

（3）采用耐腐蝕材料作為低溫受熱面，或?qū)饘俨牧线M(jìn)行滲鋁，滲鉻處理。另外，采用鑄鐵管作為受熱面，雖然其耐腐蝕性能與鋼管相差無幾，但其壁厚較厚，設(shè)計(jì)腐蝕余量大，就可以延長設(shè)備的使用壽命。

（4）從運(yùn)行上考慮，可采取控制過氧量、使燃燒完全、勤吹灰、保持受熱面清潔等一系列措施。嚴(yán)格控制漏風(fēng)也是很重要的一條，因?yàn)闋t外冷空氣漏入會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度降低，同時(shí)使自由氧增加，產(chǎn)生三氧化硫的機(jī)會(huì)增多。

注：項(xiàng)目資助：遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013614）

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1671-0711（2015）12-0078-03

（2015-09-01）