煤氣廢熱鍋爐失效原因及預(yù)防措施

張建民

1.故障描述

兩臺水煤氣廢熱鍋爐，使用BKU（釜式U形管換熱器），規(guī)格Φ2m/2.6m，L≈13.6m，換熱面積1957m2。設(shè)備管程介質(zhì)是H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等組成的水煤氣，殼程是鍋爐補(bǔ)水（深度脫鹽水），并在內(nèi)產(chǎn)生飽和蒸汽后排出。設(shè)備使用兩年后，發(fā)現(xiàn)出口蒸汽中CO含量明顯增高，判斷管程處出現(xiàn)泄漏。停車后水壓檢漏，發(fā)現(xiàn)管板堆焊層有11處漏點(diǎn)，后經(jīng)堵漏處理，漏點(diǎn)反而增加到20多處，第二次水壓檢漏時(shí)又出現(xiàn)新的漏點(diǎn)。同時(shí)在管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)黑色附著物，且泄漏水珠出現(xiàn)在管內(nèi)壁，基本可以確定換熱管裂紋。經(jīng)滲透檢測和打磨，裂紋越來越清晰，裂紋寬度由管內(nèi)向外逐漸增加。

2.原因分析

在高溫水環(huán)境中，奧氏體不銹鋼在很低的應(yīng)力下就可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，換熱管外壁的脹接殘余應(yīng)力在 20～30MPa，除了脹接應(yīng)力之外，還存在焊接應(yīng)力、溫差應(yīng)力及工作應(yīng)力，因換熱管軸向拉應(yīng)力最大，所以裂紋易沿軸向擴(kuò)展，即裂紋垂直于拉應(yīng)力方向。

對換熱管材料進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)為0Cr18Ni10Ti。通過電子探針和顯微鏡對裂紋觀察，可看出裂紋源存在于換熱管的外表面，換熱管的金相組織為單相奧氏體晶粒，屬于正常的0Cr18Ni10Ti固溶處理后的組織形貌。但在微觀組織中發(fā)現(xiàn)TiNi脆性夾雜物以及其他一些大顆粒夾雜物，當(dāng)腐蝕裂紋遇到這些夾雜物時(shí)會(huì)加速腐蝕。

對設(shè)備內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管和管板之間存在縫隙，在縫隙內(nèi)富集Cl-，證明殼程介質(zhì)中含有 Cl-，從而引起換熱管應(yīng)力腐蝕開裂。引起應(yīng)力腐蝕的 Cl-主要來自鍋爐水，也不排除來自耐壓試驗(yàn)用水。雖然介質(zhì)中 Cl-的濃度并不高，但是換熱管與管板之間的貼合不緊密，為 Cl-的富集創(chuàng)造了條件。

管束內(nèi)壁黑色附著物中的硫（S）元素含量較高，來源于原料煤，F(xiàn)e和 Ni是水煤氣介質(zhì)腐蝕設(shè)備形成的。當(dāng) S元素以濕H2S存在時(shí)，會(huì)引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕。所以應(yīng)控制水煤氣中的 S元素含量。

另外，工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致操作負(fù)荷頻繁變化，從而降低設(shè)備的使用壽命。

應(yīng)力腐蝕速度也與設(shè)備在腐蝕環(huán)境中所經(jīng)歷的過程有關(guān)。如果在腐蝕性環(huán)境中呆一段時(shí)間，然后再干燥一段時(shí)間，再重新處于腐蝕性環(huán)境中時(shí)，其應(yīng)力腐蝕速度更快。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廢熱鍋爐在 2011年下半年曾停用一段時(shí)間，2012年重新啟用。如果設(shè)備在第一次使用時(shí)就出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕，那么后來的停車對應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展起到了加速作用。

3.預(yù)防措施

對于新設(shè)備，在制造方面建議將現(xiàn)用的 0Cr18Ni10Ti更換為奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼。該類型不銹鋼比18-8型不銹鋼有更強(qiáng)的耐少量氯化物應(yīng)力腐蝕的能力。加強(qiáng)制造質(zhì)量過程監(jiān)控，加強(qiáng)保管，特別是管子搬運(yùn)、鍋爐制造等過程中，避免造成人為表面缺陷，這些缺陷在一定的腐蝕環(huán)境中可能會(huì)形成點(diǎn)蝕，進(jìn)一步引起應(yīng)力腐蝕。

設(shè)備的管與管板連接處采用液壓脹接，制造時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加脹接力，應(yīng)避免過脹和欠脹，保證貼脹質(zhì)量，消除間隙。

耐壓試驗(yàn)時(shí)，所用水和生產(chǎn)時(shí)的鍋爐水，應(yīng)嚴(yán)格控制Cl-和S的含量，定期檢測廢熱鍋爐的進(jìn)水和排污水中Cl-和S的含量。

盡量減少停車，裝置停車時(shí)要排凈鍋爐水，保證設(shè)備處在干燥狀態(tài)，并用氮?dú)馕⒄龎罕Ｗo(hù)，避免出現(xiàn)干濕交替狀態(tài)。