余熱鍋爐不銹鋼煙管開裂原因分析

(中國石油大學(華東) 化學工程學院， 青島 266580)

余熱鍋爐是一種廣泛用于石油化工、冶金、電力等行業的熱量回收設備，起著至關重要的節能減排作用[1-3]。某炭黑企業的30 000 t·a-1炭黑裝置中采用立式YG-1.1-165Q型余熱鍋爐回收炭黑煙氣的熱量，該余熱鍋爐結構如圖1所示，其設計條件見表1。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生開裂滲漏。對不銹鋼煙管進行了現場維修補焊，半年后停車檢修時再次發現不銹鋼煙管出現開裂滲漏。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生開裂滲漏的原因，筆者截取發生開裂滲漏的煙管(長度約為150 mm)進行了檢驗和分析[4]。

圖1 YG-1.1-165Q型余熱鍋爐結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of YG-1.1-165Q waste heat boiler

表1 YG-1.1-165Q型余熱鍋爐的設計條件Tab.1 Design conditions of YG-1.1-165Q waste heat boiler

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

經過現場檢查發現，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，在上管板未發現滲漏點。余熱鍋爐下管板與煙管連接處首次發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50 mm的區域內，滲漏區域分布如圖3所示。

圖2 補焊位置的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of repair welding position

圖3 滲漏區域分布示意圖Fig.3 Diagram of leakage area distribution

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，發現開裂的煙管均位于下管板的最外側兩層，這和管板外層煙管所受高水平應力有關。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壁擴展，由此初步推斷煙管滲漏和余熱鍋爐殼程工作介質(鍋爐水)的腐蝕有關。補焊處再次出現貫穿裂紋，說明補焊不能從根本上解決煙管的滲漏問題。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0.5 mm的結垢層。

圖4 煙管徑向開裂處的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of radial cracking of flue gas pipe

圖5 煙管外壁的宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of outer wall of flue gas pipe

1.2 化學成分分析

在對余熱鍋爐的拆解過程中發現，下管板殼程側表面有一層厚度為12～20 mm的結垢物，且管板中心處結垢物較厚，邊緣處結垢物較薄。由圖6可以看出殼程結垢物存在明顯分層，結垢物下部貼近管板表面(簡稱為管板側)呈黑褐色，致密堅硬；殼程結垢物上部靠近水的一側(簡稱為水側)為淺紅棕色，呈現出質地松軟的泥渣狀。圖7為插入管板內的管段(環向間隙內)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構，上下管板在管程、殼程溫差和殼程壓力作用下發生變形時，下管板會發生下凹變形，使其表面水垢呈現出中心厚邊緣薄的特征。對插入管板內的部分煙管外壁、余熱鍋爐殼程管板側和水側的結垢物分別進行X射線衍射分析，以檢測鍋爐中的水質情況，結果如表2所示。

圖6 余熱鍋爐下管板殼程結垢物形貌Fig.6 Morphology of scale deposited on the lower tube-plate and shell side of waste heat boiler

圖7 插入管板內的煙管部分外壁結垢物形貌Fig.7 Morphology of scale on the outer wall of the flue gas pipe inserted into the tube-plate

化學物質煙管外壁管板側水側CaSO4536510Ca6Si6O17(OH)223--Ca7Si6(CO3)O18·H2O10--CaCO34767α-Fe2O3436Ca(OH)2310-MgCO3325NaAl3(SO4)2(OH)6-4-Fe3O4-96Mg(H2O)6(ClO2)2--2NaAl(SO4)2(H2O)12--4

由表2可知，結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的質量分數分別為53%和65%，CaCO3在殼程水側的質量分數達到67%，Ca(OH)2在煙管外壁及殼程管板側質量分數達到3%～10%，由此可見鍋爐中水質較差，這是因為：

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

(2) 鍋爐水的pH值較高，結垢物中Ca(OH)2的質量分數達到3%～10%。

(3) 鍋爐的排污效果差，造成余熱鍋爐下管板處結垢嚴重，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向縫隙內鍋爐水濃縮更為嚴重，為煙管發生堿性腐蝕提供了條件。

1.3 金相檢驗

根據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，晶粒內有規則的孿晶和奧氏體晶界，見圖8。

圖8 失效煙管裂口附近橫截面的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of cross section near crack of failure flue gas pipe

圖9 失效煙管開裂處橫截面的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of cross section at crack of failure flue gas pipe: a) at low magnification; b) at high magnification

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壁擴展，裂紋呈樹枝狀，主裂紋在開裂過程中又產生多條分枝裂紋，其開裂方式為沿晶界開裂，具有典型的沿晶型應力腐蝕開裂(SCC)的形貌特征[5-10]。開裂部位主要集中在煙管插入下管板的部分，具有明顯的間隙應力腐蝕開裂的特征。

2 分析與討論

余熱鍋爐自投入運行至首次發現滲漏僅半年時間，根據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力腐蝕開裂(或稱鍋爐水中的局部堿脆)。

應力腐蝕開裂是一種開裂型的局部腐蝕形式，常出現在鍋爐、壓力容器和壓力管道上。應力腐蝕開裂的發生需要同時滿足3個條件[9],一是材料具有一定水平拉應力；二是材料較敏感；三是在特定的材料-環境組合下，見表3[10]。發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生應力腐蝕開裂，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生較大的拉應力，這符合了應力腐蝕的發生條件。從設計角度來看，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及排污等問題，造成其下管板與煙管連接處環向縫隙內的鍋爐水嚴重濃縮，形成強堿性環境，最終導致不銹鋼煙管插入下管板的部分出現開裂。考慮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，可以避免發生應力腐蝕開裂。

表3 易于產生應力腐蝕開裂的材料-環境組合Tab.3 Material-environment combination prone to stress corrosion cracking

3 結論及建議

YG-1.1-165Q型余熱鍋爐的奧氏體不銹鋼煙管選材不合適、鍋爐水質差及底部排污不當等問題導致煙管在濃縮鍋爐水中發生應力腐蝕開裂。

為避免再次發生應力腐蝕開裂，可采用低碳20鋼作為煙管材料，同時加強鍋爐水質監控和排污管理，避免出現嚴重的堿濃縮甚至結垢問題，余熱鍋爐管板與煙管采用強度焊-密封脹相結合的連接方式，以減輕環向間隙內的鍋爐水濃縮導致的腐蝕，若技術條件允許可以采用內孔焊技術，可徹底消除環向間隙。