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研究院，遼寧　大連　116013）

·監測與診斷·

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研究院，遼寧大連116013）

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

余熱鍋爐；失效形式；分析

近年來，隨著生產技術的發展，余熱鍋爐趨向高參數化，尤其是動力系統引入化工生產以后，余熱鍋爐由單純的工藝鍋爐轉變為生產高壓蒸汽的動力鍋爐，余熱鍋爐在整個裝置中地位也發生了重要的變化，同時化工生產用余熱鍋爐工作在高溫、高壓、介質腐蝕等苛刻條件下，加之受力、結構的流體流動的復雜性，使其成為整個生產裝置中事故的多發設備。

余熱鍋爐是化工生產裝置中的事故多發設備之一。雖然近年來余熱鍋爐結構、材質有所改進，事故比例有所下降，但仍然是影響整個裝置運行的一個重要因素。國內近幾年的生產實際也表明，無論是從美國、日本、法國德國等引進的余熱鍋爐，還是我國自主研制和生產的余熱鍋爐，都先后多次發生過各種比較嚴重的事故。

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

一、進口管板與管口燒損

1.案例簡介

某石化公司二段轉化氣臥式火管固定管板式余熱鍋爐，管程工藝氣進口溫度889℃，出口溫度616℃：殼程操作壓力4.4MPa，操作溫度256℃。進出口管板設計厚度均為70mm，材質為A182Gr.F12。換熱管束由205根φ50.8mm×5mm、材質為A213Gr.T12的爐管組成，管子與管板的連接采用脹焊結合的方式。停爐檢修時發現轉化氣進口高溫端管板、管頭嚴重燒損，發生泄漏。檢查發現有79根換熱器管存在不同程度的燒損，占換熱管總數的38%，燒損部位集中在管板中心區域。

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、晶粒度增大等材質劣化現象。

該設備高溫端管板損壞的主要原因如下。

（1）管頭保護套管的結構不合理，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）管板兩側溫差應力較大，加速了管板、管頭的破壞。

對于化工行業用火管余熱鍋爐，由于鍋爐高溫工藝氣體進口溫度最高，因此，通常在氣體進口端管板和管子連接部位設置隔熱保護結構，如耐熱混凝土隔熱層和保護套管。若隔熱保護結構不合理，或在鍋爐運行過程中隔熱防護結構損壞，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，會造成管板、管頭溫度過高而燒損，加之溫差應力的作用，會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生變化。對于碳鋼管板和換熱管，主要表現為高溫氧化和在370℃左右出現脫碳，造成強度下降。而對奧氏體不銹鋼，如1Cr25Ni20，在550~950℃時會析出硬且脆的σ相，引起管板和換熱管脆化。

3.解決方案

將金屬保護套管結構改為專利陶瓷保護套管結構，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。

采用了新型結構的薄管板代替厚管板，降低管板溫差應力，并改善管板傳熱效果。

二、內漏

余熱鍋爐內漏是指鍋爐高溫工藝氣與水汽側之間的泄漏。內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

某廠轉化氣火管式余熱鍋爐。殼程爐水側壓力為12.8MPa，管程二段氣轉化氣壓力為2.96MPa，正常操作工藝氣入口溫度為869℃，出口溫度為479℃。內漏情況出現時表現形式為，出口排氣溫度下降，并出現跳動，儀表指示鍋爐產汽量明顯低于鍋爐上水量。

2.事故原因分析

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

（2）對場各排污閥門進行檢查，確認都在正常運行位置，沒有大量跑水的現象。

（3）保持前系統工藝蒸汽穩定，監測下游工藝冷凝液流量，與設備正常時流量數據進行比對，發現冷凝液流量增加2~4t。

（4）對裝置前系統優化操作保持系統穩定，避免因負荷等波動影響判斷。

（5）查找鍋爐運行期間出現的問題，判斷泄漏的可能性，并制定緊急情況下的應急預案。因整個系統優化操作保持系統穩定，避免因負荷波動影響判斷。

3.內漏事故處理

因整個系統裝置蒸汽不足，廢熱鍋爐長期處于超負荷運行狀態，并已經使用了11年；在鍋爐使用過程中曾經出現過爐水指標控制不嚴，在pH值較低情況下運行。為了維持裝置繼續運行，對系統進行了調整。在裝置負荷穩定的情況下，盡量降低水/碳比，減少工藝蒸汽加入量。加強工藝氣管道疏水，現場做好安全監護，防止發生火災事故。對下游系統高變及低變催化劑進行阻力監測，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。超溫指鍋爐運行的溫度條件已經超過了鋼材的設計溫度或額定溫度。鍋爐運行過程中，由于爐管結垢、水循環惡化等原因，鍋爐的傳熱過程進行得不好，熱量不能及時從管壁上帶走而使管壁溫過高。超溫運行往往使爐管發生過熱失效，而過熱失效的最終結果是爐管爆裂。

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

1.事故簡介

某廠引進的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。其中一臺殼程水汽側壓力為10.34MPa，管程工藝氣壓壓力為3.03MPa、溫度約為1003℃。

鍋爐爆裂前系統雖然穩定，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，事故發生時安全閥又起跳。廢熱鍋爐底部排出了大量爐水，爐水進入高溫變換從消音器冒出。上述現象表明，廢熱鍋爐已發生嚴重內漏。緊急停車后吊出管束進行檢查發現以下問題。

（1）工藝氣進口氣體分布器由于焊縫處未焊透，在運行中被沖破了兩個大口。

（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，端部有燒結的小黑顆粒，整個外表面成黑色，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，環向斷裂縫寬23mm。

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

2.事故分析

廢熱鍋爐在運行中，由于氣體分布器的焊縫開裂，造成高溫工藝氣嚴重偏流。大量高溫氣體通過分布器的裂口直接沖刷爐管，爆破處局部熱流強度過大，造成了此處沸騰危機，因而壁管超溫使得管材金屬材料的強度顯著下降，造成爐管過熱爆裂，金相分析發現，燒壞的爐管晶粒粗大，確認屬短期過熱爆管。同時氣體偏流造成管束劇烈震動，使爐管與折流板強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，同時也使工藝氣的壓力波動，造成安全閥起跳。爐水從爐管裂口處噴出，飛濺至鍋爐內壁，使高溫壁面受到冷激而產生大量裂紋。

四、低溫腐蝕

實際的檢驗工作中發現，石化行業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，如硫的氧化物，釩的氧化物，硫酸鹽絡化物等。這些物質對余熱鍋爐會產生強烈的腐蝕，嚴重時在很短的時間內會使鍋爐遭到損壞。當進入余熱鍋爐的煙氣中含有二氧化硫時，其中一部分會轉化成三氧化硫，并與煙氣中的水蒸汽結合生成硫酸蒸汽，且能顯著地提高煙氣的露點溫度，在低溫金屬表面上凝結形成硫酸溶液，與堿性灰反應，也與金屬反應，因而產生腐蝕。由于經常發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段，采用針形管作為強化受熱面。鋼管材質為20G，規格為φ42×3mm，設計煙氣流量14000m3/h標態，煙氣進口溫度260℃，出口溫度225.6℃。受熱面發生低溫腐蝕后，經仔細觀察，受熱面下部積灰多且厚，呈雪片狀，敲擊能剝落。管子爛穿點發生在水進入熱管蒸發段的起始點。根據積灰和粉塵性質及溫度等的分析，認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據，這不但能降低露點，而且減少了酸液凝結量，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）適當提高金屬壁溫，在設計時加以綜合考慮，使之高于煙氣酸露點，至少應提高于腐蝕速度最快時的壁溫。

（3）采用耐腐蝕材料作為低溫受熱面，或對金屬材料進行滲鋁，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，設計腐蝕余量大，就可以延長設備的使用壽命。

（4）從運行上考慮，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。嚴格控制漏風也是很重要的一條，因為爐外冷空氣漏入會導致煙氣溫度降低，同時使自由氧增加，產生三氧化硫的機會增多。

注：項目資助：遼寧省質量技術監督局科技計劃項目（2013614）

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1671-0711（2015）12-0078-03

（2015-09-01）