煤粉爐水冷壁管開裂原因分析及對策

胡 洋，劉進(jìn)海，王 亮

(中國石化齊魯分公司，山東淄博 255400)

水冷壁管向火面管壁開裂是鍋爐運行中普遍存在的設(shè)備失效問題，導(dǎo)致失效的原因包括制造焊接質(zhì)量、化學(xué)清洗效果、鍋爐運行操作、爐水水質(zhì)波動等，其中爐水水質(zhì)污染是造成水冷壁管失效的主要原因。某石化廠煤粉爐水冷壁在投用3年后，水冷壁管發(fā)生開裂泄漏，鍋爐被迫停工檢修換管，影響了其他生產(chǎn)裝置的正常運行。

1 水冷壁爆管基本情況

該煤粉爐水冷壁管材質(zhì)為20 G，外徑為60 mm，壁厚6 mm，長度35.8 m。檢查發(fā)現(xiàn)，水冷壁管存在缺陷的部位集中在南墻、北墻和西墻，標(biāo)高12～24 m，部位分布示意見圖1(▽：南墻開裂部位；○：北墻開裂部位)和圖2。

圖2 西墻水冷壁管缺陷部位示意

2 水冷壁爆管失效分析

2.1 宏觀檢查

水冷壁管開裂部位均為向火側(cè)，背火側(cè)未見裂紋，裂紋較平直且斷續(xù)分布，主要沿縱向開裂；對開裂處內(nèi)表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)裂紋內(nèi)表面存在一層潰瘍狀垢層，而內(nèi)表面未結(jié)垢處外表面未發(fā)現(xiàn)裂紋；開裂處管徑相對變形較大，可見明顯管壁減薄。水冷壁管開裂形貌和內(nèi)部結(jié)垢情況見圖3、圖4。

圖3 水冷壁管開裂形貌

2.2 化學(xué)成分分析

從外觀正常部位對水冷壁管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。樣品的化學(xué)成分滿足GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求，確定其材質(zhì)為20 G。

圖4 水冷壁管內(nèi)部結(jié)垢情況

2.3 力學(xué)性能分析

對鍋爐水冷壁管橫截面取樣后進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明管道內(nèi)表面的硬度值比外表面的硬度值高，表明水冷壁管外表面開裂處的強度明顯降低。

2.4 金相檢測

從3#角12米標(biāo)高處水冷壁管取樣進(jìn)行金相組織檢測，對外表面裂紋尖端沿橫截面取樣進(jìn)行檢測。發(fā)現(xiàn)裂紋沿管子向火側(cè)外表面向內(nèi)表面開裂，見圖5。未侵蝕狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)裂紋為斷續(xù)裂紋，且存在孔洞，見圖6。侵蝕后可見裂紋以沿晶開裂為主，孔洞在晶界處，裂紋有明顯蠕變裂紋特征，見圖7、圖8。

表1 水冷壁管樣品化學(xué)成分 %

表2 水冷壁管樣品力學(xué)性能——硬度 HV

圖5 裂紋尖端橫截面金相組織(未侵蝕50倍)

圖6 裂紋尖端橫截面金相組織(未侵蝕500倍)

對比水冷壁管向火側(cè)結(jié)垢處內(nèi)外表面金相組織，發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)外表面基體金相組織為鐵素體+珠光體，且內(nèi)表面組織有明顯脫碳現(xiàn)象，見圖9、圖10。

圖7 裂紋尖端橫截面金相組織(侵蝕后50倍)

圖8 裂紋尖端橫截面金相組織(侵蝕后500倍)

圖9 向火側(cè)結(jié)垢處外表面金相組織(侵蝕后50倍)

圖10 向火側(cè)結(jié)垢處內(nèi)表面金相組織(侵蝕后50倍)

2.5 物相分析

對水冷壁管內(nèi)壁垢層取樣進(jìn)行物相分析，發(fā)現(xiàn)垢層的主要成分為Fe3O4及Fe2O3的混合物，見圖11。

圖11 垢層取樣物相分析結(jié)果

2.6 垢樣化學(xué)分析

取水冷壁南墻爐管開裂處內(nèi)壁垢樣進(jìn)行化學(xué)分析。該垢樣外觀為土黃色，較輕，少部分溶于水，大多數(shù)不溶物浮在水面。分析結(jié)果見表3?？梢钥闯?，垢樣呈酸性，主要組成為有機物、鐵的氧化物、硫化物及少部分氯鹽等。

表3 水冷壁管內(nèi)側(cè)垢樣化學(xué)分析結(jié)果 %

3 開裂原因分析

從失效分析結(jié)果看，該煤粉爐水冷壁管開裂具有垢下腐蝕和長期過熱損傷的綜合特征，以垢下腐蝕為主。

鍋爐在運行過程中由于水質(zhì)不合格、排污不暢、長期低負(fù)荷運行等原因，水冷壁管內(nèi)壁會形成分布不均勻的水垢，由于積垢的熱阻較大，熱量不能迅速傳遞到爐水，導(dǎo)致管壁溫度升高，使垢下腐蝕介質(zhì)濃縮，腐蝕加劇。從金相和腐蝕產(chǎn)物分析可以判斷，該部位的垢下腐蝕為酸性環(huán)境下的氫腐蝕。

垢物中的氯化物水解形成的鹽酸與金屬反應(yīng)生成氫氣，氫氣如果不能被快速釋放，會滲入金屬內(nèi)部與碳化物發(fā)生反應(yīng)造成金屬脫碳，材料脆化，力學(xué)性能下降。反應(yīng)方程式如下：

Fe+2HCl→FeCl2+H2↑

Fe3C+4H→3Fe+CH4↑

垢下腐蝕通常發(fā)生在鍋爐水冷壁管高熱負(fù)荷區(qū)的向火側(cè)內(nèi)壁，垢下有大小不等的腐蝕坑，隨服役時間發(fā)展而加劇。

此外，開裂部位的水冷壁管外表面存在沿晶分布的微裂紋，且晶界存在蠕變孔洞，蠕變裂紋特征明顯，說明該部位也存在因結(jié)垢導(dǎo)致的外壁長期超溫?fù)p傷。垢下腐蝕和外壁長期超溫?fù)p傷相互疊加，造成水冷壁管發(fā)生開裂爆管。

該爐在投入運行的3年期間，發(fā)生過4次大的水質(zhì)波動，造成爐水系統(tǒng)水質(zhì)劣化。4次水質(zhì)波動情況如下。

a)水處理混床水帽泄漏，少量樹脂混入二級除鹽水。爐水pH值最低為6.8，調(diào)整操作至正常共歷時11 h。

b)生產(chǎn)裝置換熱器泄漏造成油品進(jìn)入凝液系統(tǒng)，不合格凝液進(jìn)入除鹽水罐，影響煤粉爐系統(tǒng)水質(zhì)，爐水pH最低為6.81，調(diào)整操作至正常共歷時12天。

c)新鮮水串入二級除鹽水，爐水pH值最低降到4以下，調(diào)整操作至正常共歷時3天。

d)循環(huán)水泄漏污染精制水箱水質(zhì)，爐水水質(zhì)二氧化硅大幅上升，磷酸鹽含量下降，調(diào)整操作至正常共歷時5天。

由于該鍋爐汽水系統(tǒng)復(fù)雜，污染源查找困難，當(dāng)污染物進(jìn)入汽水系統(tǒng)后，只能通過連排、定排來調(diào)整水質(zhì)。部分污染物沉積在鍋爐水冷壁表面，產(chǎn)生垢下腐蝕，形成不可逆的傷害。

4 措施和建議

a)對標(biāo)高10 250～23 900 mm的水冷壁管進(jìn)行更換，在割管過程中及時檢查管內(nèi)部結(jié)垢和腐蝕情況，優(yōu)化割管范圍，做到不過修不失修。新管更換完畢后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面化學(xué)清洗。

b)梳理鍋爐給水來源，加強源頭水質(zhì)管理和水處理過程管理，作為換熱器冷卻介質(zhì)的除鹽水需經(jīng)水處理裝置處理后進(jìn)入除鹽水系統(tǒng)，作為換熱器加熱介質(zhì)的蒸汽需經(jīng)水處理裝置處理后進(jìn)入除氧器和汽水系統(tǒng)，凝液需經(jīng)去油處理后進(jìn)入爐水系統(tǒng)。

c)加強鍋爐給水和爐水的化驗分析管理，提高分析人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和處理水質(zhì)波動等突發(fā)事故的應(yīng)急能力。加大在線分析儀表的投入，在去鍋爐除鹽水總管、凝液去除鹽水箱總管等部位增加在線電導(dǎo)率分析儀。同時加強已投用在線分析儀表的維修維護(hù)，做好化驗分析數(shù)據(jù)和在線檢測數(shù)據(jù)的比對，確保在線儀表分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

d)加強鍋爐檢修期間的設(shè)備檢查力度，將檢查內(nèi)容表單化，專人檢查簽字確認(rèn)。要在檢修期間做好化學(xué)監(jiān)督和金屬監(jiān)督。對于水冷壁管的損傷狀況，除常規(guī)測厚及目視檢查外，可以采用漏磁檢測技術(shù)[6,7]。