廢熱鍋爐換熱管開裂的原因及改進

某廠發現設備管箱氣體出口處出現鍋爐給水，殼程蒸汽出口中有少量H2及CO2，懷疑U型管發生泄漏，遂停車對換熱管逐根進行打壓的方式檢漏，發現泄漏點上腐蝕結垢嚴重，對腐蝕點進行綜合失效分析，得出泄漏是CI-引起奧氏體不銹鋼的應力腐蝕。

1 設備基本參數及運行情況

E402廢熱鍋爐是一臺結構型式為DKU釜式重沸器的換熱設備，殼程設計壓力3.85Mpa，設計溫度270℃； 管程設計壓力9.0Mpa，設計溫度430℃。殼程介質高溫鍋爐給水（脫氧水）中SiO2＜ 0.1mg/L，CI-≈3mg/L，PH=8.8～9.3，電導＜30υs/cm； 管程介質變換氣成為H2為53.44%，CO2為41.47%，以及其他微量N2、CO、C H4和H2SO。廢熱鍋爐殼程主要材質為Q345R，換熱管采用0Cr18 Ni10Ti管材，管箱采用日本SA387Gr.11CL2，內壁堆焊3mm厚00 Cr19Ni10，管板采用日本SA336Gr.11CL3，管程側表面堆焊3mm厚00Cr19Ni10，以抗高溫氫腐蝕。為了分析換熱管裂管原因，首先對鍋爐給水中CI-濃度進行檢測。根據日監測記錄發現，水中CI-濃度都控制在3mg/L左右，水質較差，出現超標現象。

2 失效狀況分析

2.1 裂紋分析

裂管主要集中在靠近管板處，如圖1所示位置。為了分析裂紋產生原因，對泄漏部位進行取樣觀察，通過肉眼觀測，發現管子外表面有腐蝕點及附于其上的凸起狀腐蝕沉淀物，形狀不規則，微微泛黃。將沉積物打磨掉以下，發現腐蝕物下面有凹坑及裂紋分布，但尚不能以此判斷裂紋成因及開裂性質。

圖1 裂管位置

為了分析縫隙內腐蝕產物成分，對裂紋區域進行掃描能譜分析，檢測發現腐蝕產物主要成為Cr，微量非金屬元素為C1、O和S。分析中能檢測到腐蝕產物中含有C1，雖然含量較低，但也足以說明C 1-誘發不銹鋼應力腐蝕的可能。

對其中一個腐蝕點進行打磨，發現腐蝕物下有凹坑，并且凹坑附近存在裂紋，如圖2（a）所示。在金相顯微鏡下觀測其金相組織，如圖2（b）所示，可以看到裂紋有多個裂紋源，并且具有樹枝狀的擴展形貌，裂紋為穿晶開裂。

圖2 裂紋形貌

將一個短線狀裂紋尖端處沿垂直于軸線的方向剖開，觀測裂紋在橫截面上的擴展形貌，如圖3所示，裂紋起源于管子外表面，且垂直于管壁向內呈樹枝狀擴展，有主干，有分支，裂紋為穿晶擴展，具有不銹鋼發生應力腐蝕的典型形態，更增加了C1-誘發不銹鋼應力腐蝕的可能性。

圖3 裂紋擴展

2.2 水中CI-濃度的影響

對于Cr-Ni型奧氏體不銹鋼，產生應力腐蝕的極限C1-濃度是很低的，只要有C1-存在，就會發生應力腐蝕，且發生應力腐蝕開裂的臨界C1-濃度隨溫度的上升而減小，尤其在高溫下，當僅含1到幾mg/L時，即能導致普通Cr-Ni型不銹鋼的應力義烏破裂。該廢熱鍋爐給水中的C1-濃度是3mg/L左右，符合應力腐蝕的條件。尤其是廢熱鍋爐具有氯離子濃縮的條件（反復蒸干，濕潤），進一步導致C1-濃度偏高。管板與管子脹接的縫隙處，容易發生縫隙腐蝕而產生凹坑，這些凹坑會成為應力腐蝕開裂的起點，這也是裂管集中在管板附近的原因之一。

2.3 管壁應力

設備正常工作狀態下，管壁內氣體壓力Pi=9.0Mpa，管外壓Po=3.85Mpa，換熱管規格為φ25×2，則RO=12.5mm，R1=10.5mm，在不考慮熱應力的情況下，周向應力為16.99MPa、徑向應力為3.85M Pa、軸向應力為34.65Mpa。

雖然外壁應力水平較低，但是仍具有應力腐蝕的可能性。因為在高溫水環境中，奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕所需要的應力值很低，一種說法為3.5Mpa的應力下即可發生應力腐蝕，且管板與管子采用強度焊加貼脹的連接方式，不銹鋼管束不做焊后熱處理，此處的焊接應力和脹接拉應力很大，實際管壁應力值比理論計算值還要大，因此可認為換熱管的應力狀態具備應力腐蝕開裂的條件。

3 改進設計

為上避免應力腐蝕，采用更換熱熱管材質的方法進行設計，考慮到管程設計溫度420℃且有氫分壓存在，有可能產生氫腐蝕，使鋼材脫碳產生裂紋而失效，因而選擇抗氫鋼。通過查詢NELSON曲線，15CrMoR在操作工沖印上不會產生氫腐蝕。幫U型換熱管采用15CrMo管材，避免C1-對奧氏體不銹鋼的應力腐蝕破壞。

4 結束語

在實際生產中，水中C1-濃度都控制在3Mg/L左右已經是很嚴格的指標，如為了避免應力腐蝕而控制C1-濃度，使其進一步減小，將會使產生成本大幅增加，且即使極低的C1-濃度也會引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕的發生。因此，更換換熱管材料是避免奧氏體不銹鋼換熱管應力腐蝕的最直接有效的辦法。

[1]GB/T28413-2012，鍋爐和熱交換器用焊接鋼管.北京：中國標準出版社出版發行，2013.1

[2]GB150-2011，壓力容器.北京：中國標準出版社出版發行，2012.2