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余熱鍋爐是一種廣泛用于石油化工、冶金、電力等行業(yè)的熱量回收設(shè)備，起著至關(guān)重要的節(jié)能減排作用。

 

某炭黑企業(yè)的30000t·a-1炭黑裝置中采用立式Y(jié)G-1.1-165Q型余熱鍋爐回收炭黑煙氣的熱量，該余熱鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，其設(shè)計條件見表1。

 

圖1 YG-1.1-165Q型余熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

 

表1 YG-1.1-165Q型余熱鍋爐的設(shè)計條件

 

該鍋爐投用半年后，其下管板與多根不銹鋼煙管的連接處發(fā)生開裂滲漏。對不銹鋼煙管進行了現(xiàn)場維修補焊，半年后停車檢修時再次發(fā)現(xiàn)不銹鋼煙管出現(xiàn)開裂滲漏。煙管材料為S32168(牌號為06Cr18Ni11Ti)奧氏體不銹鋼。為查明該余熱鍋爐不銹鋼煙管頻繁發(fā)生開裂滲漏的原因，筆者截取發(fā)生開裂滲漏的煙管(長度約為150mm)進行了檢驗和分析。

 

理化檢驗

 

宏觀分析

 

經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，煙管滲漏開裂點全部位于余熱鍋爐的下管板和不銹鋼煙管的連接處，在上管板未發(fā)現(xiàn)滲漏點。

 

圖2 補焊位置的宏觀形貌

 

圖3 滲漏區(qū)域分布示意圖

 

余熱鍋爐下管板與煙管連接處首次發(fā)生滲漏后補焊位置的宏觀形貌如圖2所示，可見滲漏處全部分布在換熱管插入管板長度約為50mm的區(qū)域內(nèi)，滲漏區(qū)域分布如圖3所示。

 

圖4 煙管徑向開裂處的宏觀形貌

 

在余熱鍋爐的返修過程中，割除其下管板后對煙管進行表面檢查，發(fā)現(xiàn)開裂的煙管均位于下管板的最外側(cè)兩層，這和管板外層煙管所受高水平應(yīng)力有關(guān)。泄漏煙管截面有多處徑向貫穿裂紋，如圖4所示，裂紋在煙管外壁形成并向內(nèi)壁擴展，由此初步推斷煙管滲漏和余熱鍋爐殼程工作介質(zhì)(鍋爐水)的腐蝕有關(guān)。補焊處再次出現(xiàn)貫穿裂紋，說明補焊不能從根本上解決煙管的滲漏問題。

 

圖5 煙管外壁的宏觀形貌

 

從泄漏煙管截取管段試樣，如圖5所示，可見煙管外壁為黃棕色，插入管板的部分外壁有厚度約0.5mm的結(jié)垢層。

 

化學(xué)成分分析

 

在對余熱鍋爐的拆解過程中發(fā)現(xiàn)，下管板殼程側(cè)表面有一層厚度為12~20mm的結(jié)垢物，且管板中心處結(jié)垢物較厚，邊緣處結(jié)垢物較薄。

 

圖6 余熱鍋爐下管板殼程結(jié)垢物形貌

 

由圖6可以看出殼程結(jié)垢物存在明顯分層，結(jié)垢物下部貼近管板表面(簡稱為管板側(cè))呈黑褐色，致密堅硬；殼程結(jié)垢物上部靠近水的一側(cè)(簡稱為水側(cè))為淺紅棕色，呈現(xiàn)出質(zhì)地松軟的泥渣狀。

 

圖7 插入管板內(nèi)的煙管部分外壁結(jié)垢物形貌

 

圖7為插入管板內(nèi)的管段(環(huán)向間隙內(nèi))外壁水垢形貌，呈棕褐色，也很堅硬。由于該余熱鍋爐為立式結(jié)構(gòu)，上下管板在管程、殼程溫差和殼程壓力作用下發(fā)生變形時，下管板會發(fā)生下凹變形，使其表面水垢呈現(xiàn)出中心厚邊緣薄的特征。對插入管板內(nèi)的部分煙管外壁、余熱鍋爐殼程管板側(cè)和水側(cè)的結(jié)垢物分別進行X射線衍射分析，以檢測鍋爐中的水質(zhì)情況，結(jié)果如表2所示。

 

表2 余熱鍋爐殼程結(jié)垢化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）%

 

由表2可知，結(jié)垢物的主要成分是鈣、鎂、鐵的化合物，其中CaSO4，CaCO3的比例較高，CaSO4在煙管外壁和殼程管板側(cè)的質(zhì)量分數(shù)分別為53％和65％，CaCO3在殼程水側(cè)的質(zhì)量分數(shù)達到67％，Ca(OH)2在煙管外壁及殼程管板側(cè)質(zhì)量分數(shù)達到3％~10％，由此可見鍋爐中水質(zhì)較差，這是因為：

 

(1)余熱鍋爐水中硬質(zhì)成分含量較多，主要是Ca2+和Mg2+，該余熱鍋爐累計運行僅1a下管板結(jié)垢物厚度就達到10~20mm。

 

(2)鍋爐水的pH值較高，結(jié)垢物中Ca(OH)2的質(zhì)量分數(shù)達到3％~10％。

 

(3)鍋爐的排污效果差，造成余熱鍋爐下管板處結(jié)垢嚴重，使余熱鍋爐下管板附近鍋爐水濃縮嚴重，特別是在下管板與煙管連接處的環(huán)向縫隙內(nèi)鍋爐水濃縮更為嚴重，為煙管發(fā)生堿性腐蝕提供了條件。

 

金相檢驗

 

圖8 失效煙管裂口附近橫截面的顯微組織形貌

 

根據(jù)GB 13296-2013«鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管»，在失效煙管裂口附近橫截面上取樣進行金相檢驗，可見顯微組織為奧氏體，晶粒尺寸正常且分布均勻，晶粒內(nèi)有規(guī)則的孿晶和奧氏體晶界，見圖8。

 

圖9 失效煙管開裂處橫截面的顯微組織形貌

 

在煙管開裂處橫截面上取樣進行金相檢驗，由圖9可以看出，裂紋起源于煙管外表面并向內(nèi)壁擴展，裂紋呈樹枝狀，主裂紋在開裂過程中又產(chǎn)生多條分枝裂紋，其開裂方式為沿晶界開裂，具有典型的沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的形貌特征。開裂部位主要集中在煙管插入下管板的部分，具有明顯的間隙應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

 

分析與討論

 

余熱鍋爐自投入運行至首次發(fā)現(xiàn)滲漏僅半年時間，根據(jù)對煙管開裂部位的宏觀和微觀形貌分析以及對下管板處結(jié)垢物的成分分析，可以判斷煙管的開裂屬于典型的奧氏體不銹鋼在濃縮鍋爐水中的應(yīng)力腐蝕開裂(或稱鍋爐水中的局部堿脆)。

 

應(yīng)力腐蝕開裂是一種開裂型的局部腐蝕形式，常出現(xiàn)在鍋爐、壓力容器和壓力管道上。應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生需要同時滿足3個條件，一是材料具有一定水平拉應(yīng)力；二是材料較敏感；三是在特定的材料-環(huán)境組合下，見表3。

 

表3 易于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的材料-環(huán)境組合

 

發(fā)生滲漏的余熱鍋爐下管板煙管的運行工況滿足了上述條件。下管板的奧氏體不銹鋼煙管在濃縮的鍋爐水中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，同時，煙管和筒體之間的熱膨脹差及壓力等載荷在管板外圈處易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這符合了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生條件。從設(shè)計角度來看，選擇奧氏體不銹鋼作為余熱鍋爐用煙管并不合適，而且余熱鍋爐還存在水質(zhì)及排污等問題，造成其下管板與煙管連接處環(huán)向縫隙內(nèi)的鍋爐水嚴重濃縮，形成強堿性環(huán)境，最終導(dǎo)致不銹鋼煙管插入下管板的部分出現(xiàn)開裂?？紤]該余熱鍋爐的工作條件難以改變，可用低碳20鋼代替S32168奧氏體不銹鋼，可以避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

 

結(jié)論及建議

 

YG-1.1-165Q型余熱鍋爐的奧氏體不銹鋼煙管選材不合適、鍋爐水質(zhì)差及底部排污不當?shù)葐栴}導(dǎo)致煙管在濃縮鍋爐水中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

 

為避免再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，可采用低碳20鋼作為煙管材料，同時加強鍋爐水質(zhì)監(jiān)控和排污管理，避免出現(xiàn)嚴重的堿濃縮甚至結(jié)垢問題，余熱鍋爐管板與煙管采用強度焊-密封脹相結(jié)合的連接方式，以減輕環(huán)向間隙內(nèi)的鍋爐水濃縮導(dǎo)致的腐蝕，若技術(shù)條件允許可以采用內(nèi)孔焊技術(shù)，可徹底消除環(huán)向間隙。

 

作者：趙延靈，副教授，中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院