100萬t/a催化裝置余熱鍋爐爐管爆管失效分析及防范措施

摘要：采用化學成分分析、斷口宏觀分析及金相分析等手段，結合外蒸發器的結構特點，對催化裝置余熱鍋爐爐管爆管故障進行失效分析。結果表明：外蒸發器蒸發管與鍋爐聯箱隔板間密封損壞，含有催化劑顆粒、SO2氣體的高溫煙氣對爐管的沖刷和露點腐蝕，使爐管壁厚減薄嚴重，在水壓作用下最終導致其爆裂。從鍋爐系統的工藝操作、防腐處理、檢修維護角度提出改進預防措施，提高了余熱鍋爐系統運行的可靠性。

關鍵詞：催化裝置;余熱鍋爐;爐管爆管;露點腐蝕;改進措施

0 ? ?引言

催化裂化裝置余熱鍋爐是利用再生煙氣余熱，向裝置汽輪機及生產工藝提供所需蒸汽的重要動力設備，其爆管故障嚴重影響生產裝置的長周期安全運行。本文以某煉廠100萬t/a重油催化裝置的一臺焚燒式余熱鍋爐發生爆管故障為例，分析故障產生的原因，并提出改進預防措施。

1 ? ?鍋爐概況

余熱鍋爐型號Q108/785-27.88/45.49-3.82/430，為中溫中壓自然循環式全鋼架爐，燃料為高溫一再煙氣（煙氣溫度490 ℃，流量60 000 Nm3/h，CO含量5.63%）、二再煙氣（煙氣溫度720 ℃，流量25 000 Nm3/h）和瓦斯，額定蒸汽壓力3.82 MPa，額定蒸汽溫度430 ℃，給水溫度104 ℃，排煙溫度160 ℃。鍋爐爐管規格為?42×4 mm，材質20G。余熱鍋爐與催化裝置的外蒸發器（外取熱器、油漿蒸發器）共同組成蒸汽發生系統，除本身自產中壓蒸汽外，同時向外蒸發器提供熱水，外蒸發器產生同參數的飽和蒸汽。

2 ? ?故障發生經過與處理

2019年某日，鍋爐操作過程中爐膛壓力由7.3 kPa瞬時增加至8.0 kPa，汽包液位急劇下降，緊急上水后，汽包液位未見回升。現場檢查發現，鍋爐防爆門起跳，蒸汽和煙氣從防爆門竄出，中壓蒸汽壓力波動。據此推斷鍋爐爆管，裝置緊急停工。

鍋爐停工降溫后打開人孔，發現蒸發一段、二段上水聯箱內存在積水，且爐墻保溫大面積脫落，判斷此處為爆管位置。進一步檢查，發現蒸發一段的一根爐管爆管（圖1），其靠近煙道與聯箱隔板處。根據現場實際情況，對該爐管進行堵管處理（圖2）。

3 ? ?開裂爐管材料化學成分分析

采用全定量光譜儀對開裂爐管材料的化學成分進行測定，結果如表1所示。從表中可以看出，其化學成分符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）標準中對20G材料的要求。

4 ? ?開裂爐管斷口宏觀分析

由圖1可知，開裂爐管外壁面呈黃褐色，存在明顯沖刷痕跡，斷口呈撕裂狀，應為韌性破壞。測量斷口附近壁厚，最薄處僅為1.9 mm，減薄率達52.5%，腐蝕嚴重。

5 ? ?開裂爐管金相分析

在開裂爐管斷口附近位置和遠離斷口位置各取1個金相試樣，進行研磨、拋光和硝酸酒精侵蝕，其微觀組織形貌如圖3所示。從圖中可知其均為正常的鐵素體+珠光體組織。

6 ? ?爐管爆管原因分析

由第3節和第5節可知，開裂爐管材料的化學成分以及微觀組織均正常，可排除此方面原因導致的爐管爆管。

由開裂爐管的宏觀分析可知，其外表面腐蝕減薄嚴重，而爐管所在聯箱內介質環境為120 ℃左右的潔凈空氣，不可能造成爐管如此嚴重的腐蝕。經檢查發現，蒸發器蒸發管與聯箱隔板間的3處密封損壞，致使高溫煙氣進入聯箱，位置如圖4所示。一方面，高溫煙氣帶有的催化劑粉塵不斷對爐管造成沖刷;另一方面，高溫煙氣中含有6.65×10-4的SO2氣體，降溫后將在蒸發管表面形成露珠，造成露點腐蝕。在此沖刷及露點腐蝕的雙重作用下，爐管壁厚減薄嚴重，最終在水壓作用下導致爐管爆裂。

催化反應再生后的煙氣和焚燒爐燃燒后的煙氣中均含有SO2氣體，由于加熱爐爐膛、煙道煙氣中存在過剩的O2，所以部分SO2將進一步氧化形成SO3。當爐管管壁溫度低于露點溫度時，含有SO2和SO3的水蒸氣就會在管壁外表面上凝結成酸，對其產生露點腐蝕[1]。腐蝕介質的形成過程為：

2SO2+O2→2SO3

SO2+H2O→H2SO3

SO3+H2O→H2SO4

煙氣的露點腐蝕是亞硫酸腐蝕、硫酸腐蝕共同作用的綜合結果，其腐蝕形態取決于硫酸凝結的方式。煙氣中硫含量越高，腐蝕的可能性就越大，腐蝕程度就越嚴重。硫酸露點與煙氣中SO3濃度有關，一般大約為138 ℃[2]。爐管給水溫度恰好低于露點溫度，具備了產生露點腐蝕的條件。煙氣中含有的催化劑顆粒不斷沖刷，使腐蝕產物離開爐管管壁，暴露的新鮮金屬表面在沖刷和露點腐蝕的反復作用下，造成管壁減薄嚴重，最終導致爆管。

7 ? ?改進預防措施

（1）在隔板表面焊接保溫釘，噴涂高溫陶瓷纖維，防止煙氣進入聯箱（圖5），有效封堵蒸發管和聯箱隔板之間的縫隙。

（2）加強爐墻保溫及襯里的檢查維護，發現問題及時修復;在聯箱底部安裝排凝閥及壓力表，便于日常監控。

（3）優化催化原料，盡可能使用硫轉移劑，降低原料中的硫含量，從而進一步降低煙氣中SO2氣體含量。

（4）鍋爐操作中，在保證充分燃燒的前提下，適當降低焚燒爐主風量，盡量采用低過量空氣系數，減少SO3的生成量，減緩煙氣露點腐蝕[3]。

（5）爐管和煙道表面的鐵銹Fe2O3以及煙氣中催化劑顆粒含有的V2O5對低溫煙氣中SO2氧化生成SO3具有促進作用。因此應對蒸發管外表面進行除銹和防腐處理，同時開好激波除塵系統，在降低催化劑顆粒對爐管沖刷的同時，減緩SO3的生成。

[參考文獻]

[1] 郭慶云，王強.催化余熱鍋爐低溫省煤器爐管彎頭泄漏失效分析[J].石油化工設備技術，2018，39（6）：43-48.

[2] 承壓設備損傷模式識別：GB/T 30579—2014[S].

[3] 李彥，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O對煙氣露點溫度影響的研究[J].環境科學學報，1997（1）：126-130.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：丁銀標（1967—），男，江蘇濱海人，工程師，主要從事煉油設備技術管理工作。