余熱鍋爐不銹鋼煙管開裂原因分析

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)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(yè)的熱量回收設(shè)備，起著至關(guān)重要的節(jié)能減排作用[1-3]。某炭黑企業(yè)的30 000 t·a-1炭黑裝置中采用立式Y(jié)G-1.1-165Q型余熱鍋爐回收炭黑煙氣的熱量，該余熱鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，其設(shè)計(jì)條件見(jiàn)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(fā)生開裂滲漏。對(duì)不銹鋼煙管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)維修補(bǔ)焊，半年后停車檢修時(shí)再次發(fā)現(xiàn)不銹鋼煙管出現(xiàn)開裂滲漏。煙管材料為S32168(牌號(hào)為06Cr18Ni11Ti)奧氏體不銹鋼。為查明該余熱鍋爐不銹鋼煙管頻繁發(fā)生開裂滲漏的原因，筆者截取發(fā)生開裂滲漏的煙管(長(zhǎng)度約為150 mm)進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析[4]。

圖1 YG-1.1-165Q型余熱鍋爐結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)條件Tab.1 Design conditions of YG-1.1-165Q waste heat boiler

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，煙管滲漏開裂點(diǎn)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(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)。余熱鍋爐下管板與煙管連接處首次發(fā)生滲漏后補(bǔ)焊位置的宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)滲漏處全部分布在換熱管插入管板長(zhǎng)度約為50 mm的區(qū)域內(nèi)，滲漏區(qū)域分布如圖3所示。

圖2 補(bǔ)焊位置的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of repair welding position

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

在余熱鍋爐的返修過(guò)程中，割除其下管板后對(duì)煙管進(jìn)行表面檢查，發(fā)現(xiàn)開裂的煙管均位于下管板的最外側(cè)兩層，這和管板外層煙管所受高水平應(yīng)力有關(guān)。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(nèi)壁擴(kuò)展，由此初步推斷煙管滲漏和余熱鍋爐殼程工作介質(zhì)(鍋爐水)的腐蝕有關(guān)。補(bǔ)焊處再次出現(xiàn)貫穿裂紋，說(shuō)明補(bǔ)焊不能從根本上解決煙管的滲漏問(wèn)題。從泄漏煙管截取管段試樣，如圖5所示，可見(jiàn)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(jié)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(xué)成分分析

在對(duì)余熱鍋爐的拆解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，下管板殼程側(cè)表面有一層厚度為12～20 mm的結(jié)垢物，且管板中心處結(jié)垢物較厚，邊緣處結(jié)垢物較薄。由圖6可以看出殼程結(jié)垢物存在明顯分層，結(jié)垢物下部貼近管板表面(簡(jiǎn)稱為管板側(cè))呈黑褐色，致密堅(jiān)硬；殼程結(jié)垢物上部靠近水的一側(cè)(簡(jiǎn)稱為水側(cè))為淺紅棕色，呈現(xiàn)出質(zhì)地松軟的泥渣狀。圖7為插入管板內(nèi)的管段(環(huán)向間隙內(nèi))外壁水垢形貌，呈棕褐色，也很堅(jiān)硬。由于該余熱鍋爐為立式結(jié)構(gòu)，上下管板在管程、殼程溫差和殼程壓力作用下發(fā)生變形時(shí)，下管板會(huì)發(fā)生下凹變形，使其表面水垢呈現(xiàn)出中心厚邊緣薄的特征。對(duì)插入管板內(nèi)的部分煙管外壁、余熱鍋爐殼程管板側(cè)和水側(cè)的結(jié)垢物分別進(jìn)行X射線衍射分析，以檢測(cè)鍋爐中的水質(zhì)情況，結(jié)果如表2所示。

圖6 余熱鍋爐下管板殼程結(jié)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(nèi)的煙管部分外壁結(jié)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(xué)物質(zhì)煙管外壁管板側(cè)水側(cè)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(jié)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(cè)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為53%和65%，CaCO3在殼程水側(cè)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到67%，Ca(OH)2在煙管外壁及殼程管板側(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%～10%，由此可見(jiàn)鍋爐中水質(zhì)較差，這是因?yàn)椋?/p>

(1) 余熱鍋爐水中硬質(zhì)成分含量較多，主要是Ca2+和Mg2+，該余熱鍋爐累計(jì)運(yùn)行僅1 a下管板結(jié)垢物厚度就達(dá)到10～20 mm。

(2) 鍋爐水的pH值較高，結(jié)垢物中Ca(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%～10%。

(3) 鍋爐的排污效果差，造成余熱鍋爐下管板處結(jié)垢嚴(yán)重，使余熱鍋爐下管板附近鍋爐水濃縮嚴(yán)重，特別是在下管板與煙管連接處的環(huán)向縫隙內(nèi)鍋爐水濃縮更為嚴(yán)重，為煙管發(fā)生堿性腐蝕提供了條件。

1.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB 13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》，在失效煙管裂口附近橫截面上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，可見(jiàn)顯微組織為奧氏體，晶粒尺寸正常且分布均勻，晶粒內(nèi)有規(guī)則的孿晶和奧氏體晶界，見(jiàn)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(jìn)行金相檢驗(yàn)，由圖9可以看出，裂紋起源于煙管外表面并向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋呈樹枝狀，主裂紋在開裂過(guò)程中又產(chǎn)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(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂的特征。

2 分析與討論

余熱鍋爐自投入運(yùn)行至首次發(fā)現(xiàn)滲漏僅半年時(shí)間，根據(jù)對(duì)煙管開裂部位的宏觀和微觀形貌分析以及對(duì)下管板處結(jié)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(yīng)力腐蝕開裂(或稱鍋爐水中的局部堿脆)。

應(yīng)力腐蝕開裂是一種開裂型的局部腐蝕形式，常出現(xiàn)在鍋爐、壓力容器和壓力管道上。應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生需要同時(shí)滿足3個(gè)條件[9],一是材料具有一定水平拉應(yīng)力；二是材料較敏感；三是在特定的材料-環(huán)境組合下，見(jiàn)表3[10]。發(fā)生滲漏的余熱鍋爐下管板煙管的運(yùn)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(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，同時(shí)，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(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這符合了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生條件。從設(shè)計(jì)角度來(lái)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(zhì)及排污等問(wèn)題，造成其下管板與煙管連接處環(huán)向縫隙內(nèi)的鍋爐水嚴(yán)重濃縮，形成強(qiáng)堿性環(huán)境，最終導(dǎo)致不銹鋼煙管插入下管板的部分出現(xiàn)開裂?？紤]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(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

表3 易于產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的材料-環(huán)境組合Tab.3 Material-environment combination prone to stress corrosion cracking

3 結(jié)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(zhì)差及底部排污不當(dāng)?shù)葐?wèn)題導(dǎo)致煙管在濃縮鍋爐水中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

為避免再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，可采用低碳20鋼作為煙管材料，同時(shí)加強(qiáng)鍋爐水質(zhì)監(jiān)控和排污管理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的堿濃縮甚至結(jié)垢問(wèn)題，余熱鍋爐管板與煙管采用強(qiáng)度焊-密封脹相結(jié)合的連接方式，以減輕環(huán)向間隙內(nèi)的鍋爐水濃縮導(dǎo)致的腐蝕，若技術(shù)條件允許可以采用內(nèi)孔焊技術(shù)，可徹底消除環(huán)向間隙。