余热锅炉典型损坏失效形式分析

钟春雷　刘喜文　韩志龙

（大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁　大连　116013）

·监测与诊断·

余热锅炉典型损坏失效形式分析

钟春雷刘喜文韩志龙

（大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁大连116013）

对锅炉炉管常见损坏失效形式进行分析，对各种失效的表现特点及失效原因进行了简单的分析，并作归纳整理。

余热锅炉；失效形式；分析

近年来，随着生产技术的发展，余热锅炉趋向高参数化，尤其是动力系统引入化工生产以后，余热锅炉由单纯的工艺锅炉转变为生产高压蒸汽的动力锅炉，余热锅炉在整个装置中地位也发生了重要的变化，同时化工生产用余热锅炉工作在高温、高压、介质腐蚀等苛刻条件下，加之受力、结构的流体流动的复杂性，使其成为整个生产装置中事故的多发设备。

余热锅炉是化工生产装置中的事故多发设备之一。虽然近年来余热锅炉结构、材质有所改进，事故比例有所下降，但仍然是影响整个装置运行的一个重要因素。国内近几年的生产实际也表明，无论是从美国、日本、法国德国等引进的余热锅炉，还是我国自主研制和生产的余热锅炉，都先后多次发生过各种比较严重的事故。

下文介绍了以化工生产为主的余热锅炉的几种失效形式，比较了各种形式的表现特点，并对其失效原因进行了简单的分析。

一、进口管板与管口烧损

1.案例简介

某石化公司二段转化气卧式火管固定管板式余热锅炉，管程工艺气进口温度889℃，出口温度616℃：壳程操作压力4.4MPa，操作温度256℃。进出口管板设计厚度均为70mm，材质为A182Gr.F12。换热管束由205根φ50.8mm×5mm、材质为A213Gr.T12的炉管组成，管子与管板的连接采用胀焊结合的方式。停炉检修时发现转化气进口高温端管板、管头严重烧损，发生泄漏。检查发现有79根换热器管存在不同程度的烧损，占换热管总数的38%，烧损部位集中在管板中心区域。

2.原因分析

管板表面烧损物取样分析，其主要成分为Fe2O3。管板接头取样分析组织为铁素体＋珠光体，有珠光体球化、晶粒度增大等材质劣化现象。

该设备高温端管板损坏的主要原因如下。

（1）管头保护套管的结构不合理，使高温气体冲坏陶瓷纤维后直接冲刷管板、管头，造成管板、管头的烧损。

（2）管板较厚，管板、管头部位传热效果较差，造成管板、管头温度过高而烧损。

（3）管板两侧温差应力较大，加速了管板、管头的破坏。

对于化工行业用火管余热锅炉，由于锅炉高温工艺气体进口温度最高，因此，通常在气体进口端管板和管子连接部位设置隔热保护结构，如耐热混凝土隔热层和保护套管。若隔热保护结构不合理，或在锅炉运行过程中隔热防护结构损坏，使管板和管子直接与高温工艺气体接触，由于管板与管端部位传热效果较差，会造成管板、管头温度过高而烧损，加之温差应力的作用，会加剧管板与管子连接部位的损坏。

管板与管口烧损的特征是金相组织发生变化。对于碳钢管板和换热管，主要表现为高温氧化和在370℃左右出现脱碳，造成强度下降。而对奥氏体不锈钢，如1Cr25Ni20，在550~950℃时会析出硬且脆的σ相，引起管板和换热管脆化。

3.解决方案

将金属保护套管结构改为专利陶瓷保护套管结构，避免了高温气流直接接触管板、管头部位而造成管板、管头烧损。

采用了新型结构的薄管板代替厚管板，降低管板温差应力，并改善管板传热效果。

二、内漏

余热锅炉内漏是指锅炉高温工艺气与水汽侧之间的泄漏。内部泄漏失效形式较多，主要有炉管与管板连接部位泄漏、炉管断裂和管板穿透性裂纹等几种形式。

1.案例简介

某厂转化气火管式余热锅炉。壳程炉水侧压力为12.8MPa，管程二段气转化气压力为2.96MPa，正常操作工艺气入口温度为869℃，出口温度为479℃。内漏情况出现时表现形式为，出口排气温度下降，并出现跳动，仪表指示锅炉产汽量明显低于锅炉上水量。

2.事故原因分析

（1）对现场锅炉的排气温度、锅炉上水、产蒸汽量指示仪表分别进行了校验，排除了仪表指示失真。

（2）对场各排污阀门进行检查，确认都在正常运行位置，没有大量跑水的现象。

（3）保持前系统工艺蒸汽稳定，监测下游工艺冷凝液流量，与设备正常时流量数据进行比对，发现冷凝液流量增加2~4t。

（4）对装置前系统优化操作保持系统稳定，避免因负荷等波动影响判断。

（5）查找锅炉运行期间出现的问题，判断泄漏的可能性，并制定紧急情况下的应急预案。因整个系统优化操作保持系统稳定，避免因负荷波动影响判断。

3.内漏事故处理

因整个系统装置蒸汽不足，废热锅炉长期处于超负荷运行状态，并已经使用了11年；在锅炉使用过程中曾经出现过炉水指标控制不严，在pH值较低情况下运行。为了维持装置继续运行，对系统进行了调整。在装置负荷稳定的情况下，尽量降低水/碳比，减少工艺蒸汽加入量。加强工艺气管道疏水，现场做好安全监护，防止发生火灾事故。对下游系统高变及低变催化剂进行阻力监测，提高低变催化剂入口温度到210℃操作，防止有水浸泡催化剂使其粉化造成阻力增加，影响催化剂活性。

三、超温爆管

超温引起过热是导致废热锅炉爆管的一种典型形式，也是废热锅炉所面临的主要问题之一。超温指锅炉运行的温度条件已经超过了钢材的设计温度或额定温度。锅炉运行过程中，由于炉管结垢、水循环恶化等原因，锅炉的传热过程进行得不好，热量不能及时从管壁上带走而使管壁温过高。超温运行往往使炉管发生过热失效，而过热失效的最终结果是炉管爆裂。

尽管炉管发生爆裂的原因是多方面的，通常是几种因素综合作用的结果，但是最终大都可以归结为超温和腐蚀导致强度不足而爆裂。

1.事故简介

某厂引进的Kellogg工艺30万t合成氨装置中第一废热锅炉，属刺刀管式水管锅炉。其中一台壳程水汽侧压力为10.34MPa，管程工艺气压压力为3.03MPa、温度约为1003℃。

锅炉爆裂前系统虽然稳定，但是刺刀管废热锅炉后面的第二废热锅炉的出口安全阀突然起跳，没有查出起跳原因，事故发生时安全阀又起跳。废热锅炉底部排出了大量炉水，炉水进入高温变换从消音器冒出。上述现象表明，废热锅炉已发生严重内漏。紧急停车后吊出管束进行检查发现以下问题。

（1）工艺气进口气体分布器由于焊缝处未焊透，在运行中被冲破了两个大口。

（2）气体分布器破口高温气冲刷部位有2根炉管破裂，其中一根端部帽中心裂开，离管端140mm处的炉管上有一爆破口，破裂口宽度为25mm，长度为100mm左右，爆破口有很大的鼓肚，附近管壁变得很薄，具有短期过热爆管特征；在与裂口同一轴线方向上，有9条裂纹。

（3）在爆裂的2根炉管四周有13根炉管过热，端部有烧结的小黑颗粒，整个外表面成黑色，与其他炉管颜色有明显不同。

（4）管束折流板断裂弯曲，使另一炉管被磨通，环向断裂缝宽23mm。

（5）锅炉内壁衬里板上，在第四节120°～360°范围内有纵横交错裂纹多条，最长达300mm。

2.事故分析

废热锅炉在运行中，由于气体分布器的焊缝开裂，造成高温工艺气严重偏流。大量高温气体通过分布器的裂口直接冲刷炉管，爆破处局部热流强度过大，造成了此处沸腾危机，因而壁管超温使得管材金属材料的强度显著下降，造成炉管过热爆裂，金相分析发现，烧坏的炉管晶粒粗大，确认属短期过热爆管。同时气体偏流造成管束剧烈震动，使炉管与折流板强烈摩擦而使另外炉管破裂。

炉管破裂后，高压炉水漏入高温工艺气中，一方面使工艺气出口温度降低，同时也使工艺气的压力波动，造成安全阀起跳。炉水从炉管裂口处喷出，飞溅至锅炉内壁，使高温壁面受到冷激而产生大量裂纹。

四、低温腐蚀

实际的检验工作中发现，石化行业的余热锅炉的烟气中，常含有一些腐蚀性气体和腐蚀性物质，如硫的氧化物，钒的氧化物，硫酸盐络化物等。这些物质对余热锅炉会产生强烈的腐蚀，严重时在很短的时间内会使锅炉遭到损坏。当进入余热锅炉的烟气中含有二氧化硫时，其中一部分会转化成三氧化硫，并与烟气中的水蒸汽结合生成硫酸蒸汽，且能显著地提高烟气的露点温度，在低温金属表面上凝结形成硫酸溶液，与碱性灰反应，也与金属反应，因而产生腐蚀。由于经常发生在锅炉的低温受热面上，故称低温腐蚀。

1.事故简介

某余热锅炉为分离式热管性，受热面为热管的蒸发段，采用针形管作为强化受热面。钢管材质为20G，规格为φ42×3mm，设计烟气流量14000m3/h标态，烟气进口温度260℃，出口温度225.6℃。受热面发生低温腐蚀后，经仔细观察，受热面下部积灰多且厚，呈雪片状，敲击能剥落。管子烂穿点发生在水进入热管蒸发段的起始点。根据积灰和粉尘性质及温度等的分析，认定为受热面低温腐蚀。

2.防治措施

（1）减少烟气中三氧化硫的数据，这不但能降低露点，而且减少了酸液凝结量，可使腐蚀减轻。具体措施包括燃料脱硫、低氧燃烧、加吸收剂法。

（2）适当提高金属壁温，在设计时加以综合考虑，使之高于烟气酸露点，至少应提高于腐蚀速度最快时的壁温。

（3）采用耐腐蚀材料作为低温受热面，或对金属材料进行渗铝，渗铬处理。另外，采用铸铁管作为受热面，虽然其耐腐蚀性能与钢管相差无几，但其壁厚较厚，设计腐蚀余量大，就可以延长设备的使用寿命。

（4）从运行上考虑，可采取控制过氧量、使燃烧完全、勤吹灰、保持受热面清洁等一系列措施。严格控制漏风也是很重要的一条，因为炉外冷空气漏入会导致烟气温度降低，同时使自由氧增加，产生三氧化硫的机会增多。

注：项目资助：辽宁省质量技术监督局科技计划项目（2013614）

[1]吴瑞银，王殿秀.10Cr1Cu耐硫酸腐蚀性能研究[J].石油化工腐蚀与防护，1977,14（4）：46-48.

[2]唐志永，湿法脱硫后燃煤电站尾部装置腐蚀研究[D].南京：东南大学，2006.

[3]王丽英.锅炉“四管”爆漏的分析和综合防治措施[J].锅炉技术,1998,（2）.

[4]parkinsRN.Mechanisticaspectsofintergranularstresscorrosioncracking offerriticsteels[J].Corrosion，1996，52（5），363-374.

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1671-0711（2015）12-0078-03

（2015-09-01）