基于失效模式的廢熱鍋爐老舊設(shè)備檢維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

摘 要 提出了基于失效模式的廢熱鍋爐檢維修理念，討論了合成氨轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐常見(jiàn)的失效模式，包括鉻鉬鋼材料劣化、金屬粉末化腐蝕、局部腐蝕及破壞、疲勞失效及熱棘輪、耐火襯里失效等。結(jié)合檢維修經(jīng)驗(yàn)分析了這些失效模式的原因，并提出了在檢維修工作中應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施，展望了推動(dòng)老舊裝置國(guó)產(chǎn)化替代的趨勢(shì)和必要性。

關(guān)鍵詞 廢熱鍋爐 蒸汽發(fā)生器 失效模式 檢維修 國(guó)產(chǎn)化替代

中圖分類號(hào) TQ051.6" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0328?05

轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐又名蒸汽發(fā)生器，是大型天然氣制合成氨裝置中的核心設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低能耗具有重要意義。該裝置運(yùn)行環(huán)境苛刻，需在極短的時(shí)間內(nèi)將960 ℃的高溫轉(zhuǎn)化氣冷卻至350 ℃且副產(chǎn)10 MPa以上的高壓蒸汽，整體設(shè)計(jì)制造難度較大，主要依賴進(jìn)口。海洋石油富島有限公司共有3套年產(chǎn)30萬(wàn)噸的合成氨裝置，其轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐分別采用Borsig公司、Alstom公司和FBR公司的進(jìn)口設(shè)備。這些進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、交期難以保證、售后服務(wù)周期長(zhǎng)，一旦出現(xiàn)設(shè)備壞損，勢(shì)必造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決合成氨轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐的檢維修問(wèn)題，筆者探索了設(shè)備維護(hù)與檢修的新思路，通過(guò)借鑒裝備設(shè)計(jì)中基于失效模式的設(shè)計(jì)理念，提出了基于失效模式的理念開(kāi)展廢熱鍋爐設(shè)備檢維修工作并取得了一定的成效。

1 廢熱鍋爐的主要失效模式概述

GB 150—2011《壓力容器》在修訂時(shí)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，確定了影響壓力容器本質(zhì)安全的若干因素，提出了以失效模式為基礎(chǔ)的壓力容器設(shè)計(jì)理念，這一先進(jìn)理念對(duì)保障壓力容器的本質(zhì)安全大有裨益[1～3]。

由于廢熱鍋爐工作環(huán)境和運(yùn)行條件較復(fù)雜，需要考慮多種失效模式以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。需要注意的是，廢熱鍋爐設(shè)備存在一些特有的失效模式，這些失效模式往往不直接作用于主要受壓元件，卻是影響設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

筆者借鑒以失效模式為基礎(chǔ)的壓力容器設(shè)計(jì)理念，參考IOS 16528?1中列出的三大類13種失效模式[4]，并結(jié)合GB/T 30579—2022《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》[5]，針對(duì)廢熱鍋爐設(shè)備的特殊性和運(yùn)行檢修要求，進(jìn)行了該設(shè)備全設(shè)計(jì)壽命中的危害識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)控制，進(jìn)而總結(jié)出廢熱鍋爐在檢維修中需關(guān)注的主要失效模式，并列于表1[6～8]。

2 廢熱鍋爐主要失效模式及檢維修應(yīng)對(duì)措施

2.1 常規(guī)失效模式

表1中列出的第1～3條所涉及的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性失效、泄漏失效和材料均勻腐蝕，是一般壓力容器通用的失效模式。針對(duì)這些問(wèn)題，只要通過(guò)遵循常規(guī)的檢維修規(guī)程即可得到有效預(yù)防。這些措施包括但不限于定期對(duì)設(shè)備壁厚、表面裂紋等進(jìn)行檢測(cè);監(jiān)控設(shè)備壁厚減薄情況，如發(fā)現(xiàn)有裂紋萌生及時(shí)清理修復(fù);更換密封墊片時(shí)嚴(yán)格選用原設(shè)計(jì)規(guī)定的墊片材料和類型，注意對(duì)密封面的劃痕和腐蝕進(jìn)行及時(shí)修復(fù)等。

2.2 鉻鉬鋼材料劣化

鉻鉬鋼是廢熱鍋爐管箱、管板及換熱管等關(guān)鍵部件的常用材料，與普通碳鋼或低合金鋼相比，其抗氫腐蝕能力和耐高溫氧化能力更強(qiáng)。鉻鉬鋼在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)氫腐蝕、氫脆及回火脆化等材料劣化模式。

氫腐蝕是由于臨氫環(huán)境下氫進(jìn)入鋼材中并與碳反應(yīng)生成甲烷氣體，甲烷進(jìn)入晶界或夾雜界面的縫隙形成氣泡，氣泡長(zhǎng)大并連接形成裂紋、發(fā)生脫碳，導(dǎo)致鋼材破裂;氫脆是在設(shè)備制造、焊接或服役等過(guò)程中氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼材中，使其韌性下降，在殘余應(yīng)力和外部載荷的作用下發(fā)生的脆性斷裂，是氫引起的滯后開(kāi)裂;回火脆化是合金鋼長(zhǎng)期暴露在343～593 ℃范圍內(nèi)，操作溫度下材料韌性沒(méi)有明顯降低，但材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化，降低溫度后發(fā)生脆性開(kāi)裂的過(guò)程。

為了應(yīng)對(duì)設(shè)備中鉻鉬鋼部件出現(xiàn)材料劣化的問(wèn)題，可以從以下方面入手[9]：在購(gòu)買設(shè)備時(shí)根據(jù)需要選擇耐高溫腐蝕能力強(qiáng)的金屬;工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中依據(jù)納爾遜曲線制定操作溫度，盡量避免超過(guò)臨界溫度運(yùn)行;采用先升溫、后升壓，先降壓、后降溫的開(kāi)、停車步驟，控制最低加壓溫度;定期對(duì)焊縫進(jìn)行UT檢測(cè)，必要時(shí)可對(duì)鉻鉬鋼母材和焊縫做金相復(fù)膜檢查;補(bǔ)焊和其他焊接作業(yè)時(shí)嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行熱處理，避免氫脆，有條件的要在補(bǔ)焊后進(jìn)行RT檢測(cè)。

2.3 金屬粉末化腐蝕

金屬粉末化腐蝕是在高碳活度、低氧活度下發(fā)生的一種災(zāi)難性碳化形式，是在高溫和特定氣氛下的異常腐蝕形式。金屬粉末化腐蝕產(chǎn)生于482～816 ℃的強(qiáng)碳化、低氧活度氛圍中，在這個(gè)氛圍下金屬表面的氧化膜缺失，滲碳過(guò)程異常嚴(yán)重，導(dǎo)致金屬表面迅速發(fā)生碳化物的分解[10]。

由于合成氨廢熱鍋爐同時(shí)滿足溫度介于482～816 ℃和強(qiáng)碳化、低氧活度氛圍的氣體氛圍，因此直接暴露在轉(zhuǎn)化氣中的熱保護(hù)套管、中心調(diào)節(jié)閥等部件會(huì)發(fā)生金屬粉末化腐蝕。熱保護(hù)套管發(fā)生金屬粉末化腐蝕至穿孔后高溫工藝氣直接沖擊管接頭，會(huì)導(dǎo)致管接頭和熱端管束失效，引發(fā)管接頭泄漏甚至爆管。當(dāng)中心調(diào)節(jié)閥的部件發(fā)生金屬粉末化失效后，會(huì)造成廢熱鍋爐設(shè)備因無(wú)法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣出口溫度而影響后續(xù)工藝流程，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成非計(jì)劃停車。

在檢維修時(shí)，需要認(rèn)真檢查熱保護(hù)套管、調(diào)節(jié)閥等部件，發(fā)現(xiàn)壁厚減薄甚至穿孔時(shí)，需進(jìn)行維護(hù)或更換。需要注意的是，上述材料一般選用BCC晶體結(jié)構(gòu)的材料，即Cr及Si、Al、Nb、W、Mo、T等元素較高的Ni?Cr?Fe合金，如Alloy 600、Alloy 602CA及Alloy 690/693等，而不選用不耐金屬粉末化腐蝕的Fe?Cr?Ni合金，如Incoloy800H、06Cr25Ni20等。這些原材料采購(gòu)困難，供貨周期長(zhǎng)，因此需要提前準(zhǔn)備充足的備件。另外，通過(guò)對(duì)材料表面的特殊處理來(lái)減緩金屬粉末化腐蝕的方式已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中得以證實(shí)，緊急情況下可用進(jìn)行特殊表面處理的Fe?Cr?Ni替代;但僅進(jìn)行表面處理的部件其使用壽命不是很長(zhǎng)，因此在需要嚴(yán)格控制金屬粉末化腐蝕的區(qū)域，最好同時(shí)選用耐金屬粉末化腐蝕的Ni?Cr?Fe合金和表面處理。

2.4 局部腐蝕及破壞

廢熱鍋爐設(shè)備中常見(jiàn)的局部腐蝕有二氧化碳腐蝕和垢下腐蝕。

二氧化碳腐蝕多為露點(diǎn)腐蝕，由于合成氨裝置中的廢熱鍋爐為高壓廢熱鍋爐，殼程汽水混合物的溫度在300 ℃以上，遠(yuǎn)高于管程轉(zhuǎn)化氣的露點(diǎn)溫度，因此一般情況下不發(fā)生二氧化碳露點(diǎn)腐蝕。但在開(kāi)停車過(guò)程中和廢熱鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)會(huì)短暫發(fā)生二氧化碳露點(diǎn)腐蝕;另外，在廢熱鍋爐冷端管板處，如有微量泄漏，泄漏出的水與二氧化碳結(jié)合，也會(huì)發(fā)生類似露點(diǎn)腐蝕形態(tài)的二氧化碳腐蝕，而且這種腐蝕呈加速趨勢(shì)，因?yàn)槲⒘康男孤c(diǎn)會(huì)因腐蝕的原因不斷擴(kuò)大，不斷擴(kuò)大的泄漏點(diǎn)又會(huì)加劇二氧化碳腐蝕的發(fā)生。

在檢維修時(shí)，需要對(duì)廢熱鍋爐冷端管板和管箱進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)有二氧化碳腐蝕的跡象，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。尤其需要注意的是，在管板處發(fā)生微小的泄漏點(diǎn)時(shí)，一定要及時(shí)修補(bǔ)以防止二氧化碳腐蝕的發(fā)生。

垢下腐蝕是在外界環(huán)境和腐蝕介質(zhì)的綜合作用下，垢層以下金屬形成閉塞原電池腐蝕的現(xiàn)象。垢下腐蝕會(huì)形成溫差電池和氧濃差電池，是一種加速作用的局部腐蝕[11，12]。另外，結(jié)垢還會(huì)造成換熱管過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆管。

檢維修過(guò)程中需要監(jiān)控垢層厚度，發(fā)現(xiàn)結(jié)垢時(shí)可以通過(guò)處理垢層的方式減少垢下腐蝕，除垢一般安排在停車時(shí)進(jìn)行，除垢頻率可為每年兩次，也可根據(jù)垢層厚度調(diào)整除垢時(shí)間。

2.5 非受壓元件的材料熱老化、蠕變變形及蠕變斷裂

材料熱老化是奧氏體不銹鋼或雙相鋼等材質(zhì)的鋼材在高溫下長(zhǎng)期服役，材料組織發(fā)生變化，引起鐵素體調(diào)幅分解并析出G相及碳化物，造成的材料脆化現(xiàn)象，Incoloy800等高端材料也會(huì)發(fā)生材料熱老化現(xiàn)象。在低于屈服應(yīng)力的載荷下，高溫設(shè)備金屬材料隨時(shí)間推移緩慢發(fā)生塑性變形的過(guò)程稱為蠕變，蠕變變形導(dǎo)致構(gòu)件實(shí)際承載面收縮，應(yīng)力增大，導(dǎo)致變形，并最終發(fā)生不同形式斷裂。這兩類失效一般出現(xiàn)在廢熱鍋爐直接與高溫氣體接觸的金屬部分，如耐火襯里襯套和調(diào)節(jié)閥銷子。

在澆筑耐火襯里和檢維修更換耐火襯里時(shí)，部分廠家為避免澆注料裂紋引起的超溫，在耐火襯里上設(shè)置了06Cr25Ni20或Incoloy800H材質(zhì)的耐熱鋼護(hù)套。但工藝氣溫度常高達(dá)800～1 000 ℃甚至更高，在金屬熱老化、蠕變以及金屬和耐火襯里熱膨脹系數(shù)不同等因素的聯(lián)合作用下，耐熱鋼護(hù)套常會(huì)與耐火襯里分離甚至發(fā)生斷裂，導(dǎo)致澆注料破損，引發(fā)超溫。有時(shí)，斷裂的耐熱鋼護(hù)套會(huì)壓在熱端管板上導(dǎo)致一部分管子無(wú)法參與換熱，這時(shí)剩下的管子就需負(fù)擔(dān)全部氣流，從而造成因熱流密度過(guò)高引起的廢熱鍋爐故障。

中心調(diào)節(jié)閥的分布器和銷子在使用時(shí)也要注意熱老化和蠕變的影響，2520系列耐熱鋼和Incoloy800系列合金在使用2年后開(kāi)始出現(xiàn)熱老化，使用5年后需要格外引起注意，Inconel600合金在使用5年后開(kāi)始出現(xiàn)熱老化，使用10年左右需要格外注意。

在檢維修時(shí)，應(yīng)檢查耐熱鋼護(hù)套和中心調(diào)節(jié)閥部件的壞損情況，如發(fā)現(xiàn)有材料劣化甚至脫落風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換。另外，如今的耐火襯里質(zhì)量相較于20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初已有大幅提升，只要保證耐火襯里的施工、養(yǎng)護(hù)和烘爐嚴(yán)格按操作流程進(jìn)行，僅依靠耐火襯里本身即可滿足設(shè)備運(yùn)行要求，沒(méi)有必要為澆注料設(shè)置耐熱鋼護(hù)套;所以在空間允許的情況下，建議檢維修時(shí)將耐熱鋼護(hù)套更換成耐磨性能較好的剛玉澆注料。

在對(duì)耐熱鋼護(hù)套和中心調(diào)節(jié)閥部件補(bǔ)焊或更換時(shí)，由于焊縫處的高溫性能比母材差，因此建議升級(jí)焊材，補(bǔ)焊時(shí)2520系列耐熱鋼和Incoloy800合金用焊條建議為ENiCrFe?3，Inconel600系列合金建議使用ERNiCr?3。

2.6 疲勞失效及熱棘輪

疲勞失效和熱棘輪雖然有所區(qū)別，在設(shè)計(jì)上需要認(rèn)真區(qū)別對(duì)待，但其本質(zhì)都是循環(huán)應(yīng)力（不僅是壓力載荷變化造成的循環(huán)應(yīng)力，周期性的溫度變化也會(huì)造成循環(huán)應(yīng)力）作用下，微裂紋不斷擴(kuò)展與深化，使得結(jié)構(gòu)或部件的有效工作面減小，每一個(gè)加載循環(huán)下都會(huì)有一定量的損傷，當(dāng)損傷增量到一定程度時(shí)就會(huì)突然破裂。這種失效是管板裂紋的主要原因。管板是廢熱鍋爐的核心零件，管板裂紋導(dǎo)致的泄漏是非常嚴(yán)重的失效，將導(dǎo)致非計(jì)劃停車。

檢修時(shí)要對(duì)管板進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)修補(bǔ)以避免裂紋擴(kuò)大造成泄漏。管板裂紋的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)作業(yè)難度大，這是由于管板一般由鉻鉬鋼制造，焊接時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋、延遲裂紋;現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件不足，增加了焊接缺陷產(chǎn)生的可能;由于設(shè)備服役時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫連續(xù)運(yùn)行，工藝氣中的H、C、S、P等元素不斷滲入管板，改變了管板的組織成分[13]。因此在修復(fù)管板裂紋時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整焊材合金元素的含量，制定切實(shí)可行的焊接和熱處理工藝，焊接人員要控制好層間溫度[14]、起弧息弧位置并打磨修理好坡口和接頭，在焊接、熱處理后按工藝進(jìn)行UT和PT檢測(cè)。

2.7 耐火材料失效

澆注料是用于降低管箱內(nèi)壁溫度的不定形耐火材料。由于合成氨轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐入口工藝氣溫度高、流速快，一般需設(shè)置耐磨層和隔熱層兩層澆注料，耐磨層澆注料常選用剛玉料，隔熱層澆注料常選用氧化鋁澆注料[15]。澆注料失效方式有磨損、裂縫和剝落;由于存在耐磨層澆注料，磨損對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行的威脅較小，定期檢查澆注料厚度即可排除隱患;小范圍的裂縫對(duì)設(shè)備運(yùn)行影響較小，但貫穿性的裂縫會(huì)使?jié)沧⒘蟿兟溥M(jìn)而導(dǎo)致管箱超溫，嚴(yán)重威脅設(shè)備運(yùn)行。

烘爐是不定形耐火澆注料施工和使用過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其作用主要是排除襯里中的游離水、化學(xué)結(jié)合水和獲得高溫使用性能[16]。澆注料發(fā)生貫穿性裂紋的主要原因是耐火襯里施工質(zhì)量差、烘爐未按工藝要求和停爐維護(hù)不當(dāng)。因此耐火襯里應(yīng)在施工時(shí)嚴(yán)格按照配方要求加料混合，不得隨意改變混合工藝，在澆注料施工完畢后應(yīng)進(jìn)行陰干且不得低于72 h;烘爐前應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)烘爐，烘爐應(yīng)按烘爐溫度曲線逐步升溫;停爐后要及時(shí)檢查養(yǎng)護(hù)，避免發(fā)生裂紋。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

失效模式分析作為一種預(yù)防性維護(hù)策略，其核心在于通過(guò)識(shí)別設(shè)備潛在的失效原因和模式，制定針對(duì)性維修措施，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命和提高運(yùn)行效率?；谑Ｊ降膹U熱鍋爐設(shè)備檢維修工作是一種行之有效的維護(hù)策略。它不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性，還降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，為我國(guó)合成氨工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。未來(lái)，將繼續(xù)深化失效模式分析在設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，為推動(dòng)我國(guó)合成氨工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)做出更大貢獻(xiàn)。

3.2 展望

通過(guò)對(duì)《推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備更新實(shí)施方案》等國(guó)家政策的深入學(xué)習(xí)，理解了國(guó)家對(duì)生產(chǎn)企業(yè)“實(shí)施本質(zhì)安全水平提升行動(dòng)”的要求，認(rèn)識(shí)到與其投入大量資源和精力讓進(jìn)口老舊設(shè)備超期服役，不如選擇將設(shè)備進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化更新，以推動(dòng)老舊裝置國(guó)產(chǎn)化替代。

精心維護(hù)雖然能暫時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，但老舊裝置本身存在技術(shù)需更新以及長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的老化問(wèn)題，使得其使用性能和安全性難以持續(xù)滿足生產(chǎn)要求。此外，超期服役的設(shè)備一旦發(fā)生故障，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)損失甚至人員傷害，給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大損失。

相比之下，將合成氨廢熱鍋爐等設(shè)備進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化更新，一方面能夠顯著提升設(shè)備的安全性和可靠性，降低因設(shè)備老化、故障等帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn);另一方面，國(guó)產(chǎn)化替代有助于發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升我國(guó)工業(yè)裝備的自給能力，減少對(duì)外依賴，增強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全。此外，國(guó)內(nèi)企業(yè)在設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)等方面具有地理和服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，能夠更快速地響應(yīng)市場(chǎng)需求，提供定制化解決方案，滿足企業(yè)個(gè)性化需求。因此，推動(dòng)合成氨廢熱鍋爐等老舊裝置的國(guó)產(chǎn)化替代，不僅是響應(yīng)國(guó)家政策、提升本質(zhì)安全水平的需要，也是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措。

推動(dòng)老舊裝置的國(guó)產(chǎn)化替代不僅有助于降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，還能促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。未來(lái)，隨著政策的進(jìn)一步支持和市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)廢熱鍋爐設(shè)備將在化工行業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[8] 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司.火管式廢熱鍋爐維護(hù)檢修規(guī)程：SHS 05006—2019[S].北京：中國(guó)石化出版社，2019.

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