丙烯酸裝置余熱鍋爐爐管的爆裂原因

金光熙，金光日，畢學(xué)文，華 碩

（1.吉林化工學(xué)院理學(xué)院，吉林 132022；2.吉林石化公司電石廠，吉林 132021）

0 引言

吉林石化公司丙烯酸裝置余熱鍋爐以燃燒渣油產(chǎn)生的煙氣熱量為熱源來(lái)加熱20鋼爐管（以下簡(jiǎn)稱爐管）中流動(dòng)的冷凝水，使其產(chǎn)生水蒸氣供反應(yīng)器用。爐管的外徑為38mm，厚度為3.5mm，進(jìn)口煙氣溫度為700℃，出口煙氣溫度為480℃，爐管內(nèi)的蒸汽壓力設(shè)計(jì)為0.8 MPa。2011年3月16日在運(yùn)行過(guò)程中數(shù)根爐管（2004年開始使用）同時(shí)發(fā)生爆裂泄漏，使鍋爐無(wú)法正常工作。為了防止事故的再次發(fā)生，作者通過(guò)分析失效爐管的化學(xué)成分、微觀組織以及結(jié)垢物，找到了爐管爆裂的原因，并提出了解決辦法。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1（a）可見(jiàn)，爐管爆裂的位置在煙氣進(jìn)口部位，煙氣出口部位的爐管幾乎沒(méi)有爆裂，所有爆裂的爐管均沿縱向爆裂，爆裂失效的長(zhǎng)度約為140cm，這與進(jìn)口煙氣通道的長(zhǎng)度基本吻合。由圖1（b）可見(jiàn)，爐管在沿爆口厚度方向出現(xiàn)多層分層和不同程度的減薄，及爐管外壁氧化和剝落后的形貌；另外，煙氣進(jìn)口方向的爐管均有脹粗的現(xiàn)象。為了系統(tǒng)地觀察和研究爐管爆裂的原因，停爐后分別截取一段已結(jié)垢但未爆裂還能通水的爐管、堵塞后尚未爆裂和堵塞后爆裂的爐管，觀察其橫截面形貌。從圖2可見(jiàn)，已結(jié)垢但未爆裂的爐管可以清晰地觀察到樹輪狀的內(nèi)垢物，其質(zhì)地堅(jiān)硬，與爐管內(nèi)壁結(jié)合牢固，不易脫落，表明爐管內(nèi)部結(jié)垢是長(zhǎng)時(shí)間積累的；堵塞后尚未爆裂的爐管，其堵塞物質(zhì)地酥松，切割時(shí)還具有一定的濕度，發(fā)出類似于H2S的味道；堵塞后已爆裂的爐管，可以觀察到縱向裂紋發(fā)生在爐管減薄區(qū)域，同時(shí)可以觀察到外壁氧化物以及爆裂后與煙氣反應(yīng)尚未脫落的內(nèi)垢物。因此，可以推測(cè)爐管從內(nèi)部結(jié)垢到爆裂經(jīng)歷了一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)。

圖1 爆裂爐管的位置及其宏觀形貌Fig.1 Position（a）and macrograph（b）of the fractured boiler tubes

1.2 化學(xué)成分及內(nèi)垢物組成

用Spectro Test CCD 型便攜式光譜儀（XRD）分析所截取的爆裂爐管的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)爐管的化學(xué)成分符合GB 3087－1999《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20鋼的技術(shù)要求。

由圖3可見(jiàn)，已結(jié)垢但未爆裂的爐管內(nèi)質(zhì)地堅(jiān)硬的內(nèi)垢物主要成分為硫酸鈣，堵塞后尚未爆裂爐管內(nèi)質(zhì)地酥松的內(nèi)垢物主要成分為硫化鈣并有少量的硅酸鈣。由圖4可見(jiàn)，爆裂爐管內(nèi)部的產(chǎn)物比較復(fù)雜，既有鐵的氧化物，也有鈣和硫的化合物，同時(shí)也含有納、鉀、硅、碳和氯等成分，這可能與渣油燃燒后的煙氣攜帶物與爐管內(nèi)垢物發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

圖2 不同爐管截面的宏觀形貌Fig.2 Cross－section macrograph of the boiler tubes：（a）already scaled but not fractured；（b）blocked but not fractured and（c）fractured and blocked

表1 爆裂爐管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of the fractured boiler tubes（mass） %

1.3 顯微組織

在離裂口120mm 處切取斷面試樣，經(jīng)4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行觀察。由圖5可見(jiàn)，爆裂爐管內(nèi)側(cè)組織中的珠光體基本消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長(zhǎng)大，呈現(xiàn)球化現(xiàn)象。由圖6可見(jiàn)，爆裂爐管內(nèi)側(cè)晶界和晶界內(nèi)部有微裂紋及微孔洞；EDS 分析表明，在這些微裂紋與微孔洞內(nèi)有硫、錳和鈣的富集。這說(shuō)明硫、錳和鈣的富集物導(dǎo)致了晶界或晶界內(nèi)部微裂紋和微孔洞的產(chǎn)生，促使?fàn)t管爆裂的發(fā)生。上述分析表明，爐管的爆裂不僅與長(zhǎng)期過(guò)熱高溫蠕脹、氧化有關(guān)，而且還與爐管材料組織缺陷有關(guān)。

2 爆裂原因分析

20鋼管廣泛用于制造各種低中壓鍋爐、過(guò)熱蒸汽管、沸水管和水冷壁管［1－3］。受力情況下20鋼管的使用溫度不能高于475 ℃，抗氧化溫度上限為530 ℃。失效爐管進(jìn)氣口溫度在700 ℃，因而在進(jìn)氣口的爐管外表面不可避免地發(fā)生氧化現(xiàn)象，即使在爐管內(nèi)無(wú)結(jié)垢物、材料導(dǎo)熱性能良好情況下，爐管外表面也會(huì)發(fā)生輕微的氧化現(xiàn)象。一旦爐管內(nèi)有結(jié)垢物，特別是像硫酸鈣這樣質(zhì)地堅(jiān)硬、導(dǎo)熱性差的結(jié)垢物時(shí)，爐管的溫度將隨內(nèi)垢物的增厚而升高，加劇外表面的氧化進(jìn)程，爐管外表面溫度很快會(huì)超過(guò)530 ℃，此時(shí)爐管在發(fā)生高溫蠕脹的同時(shí)也會(huì)在外表面形成鐵的氧化膜。這種氧化膜主要由Fe3O4和Fe2O3組成［4］，由于氧化膜與鋼基體的熱膨脹系數(shù)和物相的差異造成氧化膜的脫落，如圖1 所示。爐管的高溫蠕脹與氧化將會(huì)導(dǎo)致爐管減薄，在煙氣進(jìn)口部位的爐管尤為明顯，見(jiàn)圖2（c）。另外，爐管在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行后，其組織容易產(chǎn)生珠光體球化及石墨化現(xiàn)象；爐管內(nèi)壁結(jié)垢將加速珠光體球化及石墨化現(xiàn)象，珠光體球化在降低爐管高溫性能的同時(shí)也降低了爐管的使用壽命［5］?？梢?jiàn)，爐管高溫蠕脹和外部氧化減薄、珠光體球化及石墨化是爐管高溫性能下降和導(dǎo)致爆裂的主要原因。另外，前面已驗(yàn)證堵塞后尚未爆裂爐管內(nèi)部酥松物為硫化鈣，在接近700 ℃時(shí)硫酸鈣發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)［6］：

硫化鈣遇水時(shí)再發(fā)生如下反應(yīng)：

故質(zhì)地酥松的內(nèi)垢物有H2S 氣味。一旦內(nèi)垢物完全堵塞爐管無(wú)水流通時(shí)，爐管因迅速蠕脹和外表面激烈氧化而很快發(fā)生爆裂現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，爐管爆裂不僅經(jīng)歷了長(zhǎng)期過(guò)熱蠕脹減薄和氧化，而且在爆裂前內(nèi)垢物發(fā)生了化學(xué)分解反應(yīng)。

3 結(jié)論與建議

（1）爐管爆裂與其內(nèi)部長(zhǎng)期硫酸鈣結(jié)垢有關(guān)，爐管內(nèi)水中的硫酸鈣在內(nèi)壁結(jié)垢導(dǎo)致爐管的傳熱系數(shù)下降和水流量不足，從而導(dǎo)致爐管高溫蠕脹和管外壁升溫氧化、加速爐管材料的珠光體球化和石墨化，降低高溫性能，最終引起爆裂。

（2）建議升級(jí)爐管，選用比20 鋼性能更好的12Cr1MoV 合金鋼，因?yàn)樵摬牧现泻t，鉬和釩，可以形成穩(wěn)定的合金碳化物，減緩球化速度，較20鋼具有更高的熱強(qiáng)性和抗氧化性及高的持久塑性，能延長(zhǎng)爐管的使用壽命。

（3）另建議軟化和凈化水質(zhì)，從源頭上消除容易結(jié)垢的硫酸鈣和碳酸鈣等雜質(zhì)，保證爐管長(zhǎng)壽命穩(wěn)定運(yùn)行。

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［4］朱日彰，何業(yè)東，齊慧濱.高溫腐蝕及耐高溫腐蝕材料［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［5］李艷林.鍋爐熱管失效分析及預(yù)防［M］.北京：電力出版社，2006.

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