分享：余热锅炉不锈钢烟管开裂原因分析

摘 要:某炭黑企业 YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余热锅炉不锈钢烟管在使用中发生开裂.通过宏观分析、 化学成分分析、金相检验等方法对烟管开裂的原因进行了分析.结果表明:烟管选材不合适、锅炉 水质差及底部排污不当等问题导致烟管发生了应力腐蚀开裂.最后针对烟管开裂原因提出了预防 措施. 

关键词:余热锅炉;不锈钢;烟管;应力腐蚀开裂 

中图分类号:TB３０４           文献标志码:B             文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００３４Ｇ０４ 

余热锅炉是一种广泛用于石油化工、冶金、电力 等行业的热量回收设备,起着至关重要的节能减排 作用[１Ｇ３].某炭黑企业的３００００t??a－１ 炭黑装置中 采用立式 YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余热锅炉回收炭黑烟气 的热量,该余热锅炉结构如图１所示,其设计条件见 表１.该锅炉投用半年后,其下管板与多根不锈钢 烟管的连接处发生开裂渗漏.对不锈钢烟管进行了 现场维修补焊,半年后停车检修时再次发现不锈钢 烟管出现开裂渗漏.烟 管 材 料 为 S３２１６８(牌 号 为 ０６Cr１８Ni１１Ti)奥氏体不锈钢.为查明该余热锅炉 不锈钢烟管频繁发生开裂渗漏的原因,笔者截取发 生开裂渗漏的烟管(长度约为１５０mm)进行了检验 和分析[４]. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

经过现场检查发现,烟管渗漏开裂点全部位于 余热锅炉的下管板和不锈钢烟管的连接处,在上管 板未发现渗漏点.余热锅炉下管板与烟管连接处首 次发生渗漏后补焊位置的宏观形貌如图２所示,可 见渗漏 处 全 部 分 布 在 换 热 管 插 入 管 板 长 度 约 为 ５０mm 的区域内,渗漏区域分布如图３所示.

１．２ 化学成分分析 

在对余热锅炉的拆解过程中发现,下管板壳程 侧表面有一层厚度为１２~２０mm 的结垢物,且管板 中心处结垢物较厚,边缘处结垢物较薄.由图６可 以看出壳程结垢物存在明显分层,结垢物下部贴近 管板表面(简称为管板侧)呈黑褐色,致密坚硬;壳程 结垢物上部靠近水的一侧(简称为水侧)为浅红棕 色,呈现出质地松软的泥渣状.图７为插入管板内 的管段(环向间隙内)外壁水垢形貌,呈棕褐色,也很 坚硬.由于该余热锅炉为立式结构,上下管板在管 程、壳程温差和壳程压力作用下发生变形时,下管板 会发生下凹变形,使其表面水垢呈现出中心厚边缘 薄的特征.对插入管板内的部分烟管外壁、余热锅炉壳程管板侧和水侧的结垢物分别进行 X射线衍射分 析,以检测锅炉中的水质情况,结果如表２所示. 

由表２可知,结垢物的主要成分是钙、镁、铁的 化合物,其中 CaSO４,CaCO３ 的比例较高,CaSO４ 在 烟管外壁和壳程管板侧的质量分数分别为５３％和 ６５％,CaCO３ 在 壳 程 水 侧 的 质 量 分 数 达 到 ６７％, Ca(OH)２在烟管外壁及壳程管板侧质量分数达到 ３％~１０％,由此可见锅炉中水质较差,这是因为: 

(１)余热锅炉水中硬质成分含量较多,主要是 Ca２＋ 和 Mg ２＋ ,该余热锅炉累计运行仅１a下管板结 垢物厚度就达到１０~２０mm.

(２)锅炉水的pH 值较高,结垢物中 Ca(OH)２ 的质量分数达到３％~１０％. 

(３)锅炉的排污效果差,造成余热锅炉下管板处 结垢严重,使余热锅炉下管板附近锅炉水浓缩严重, 特别是在下管板与烟管连接处的环向缝隙内锅炉水 浓缩更为严重,为烟管发生碱性腐蚀提供了条件.

１．３ 金相检验 

根据 GB１３２９６－２０１３«锅炉、热交换器用不锈钢无 缝钢管»,在失效烟管裂口附近横截面上取样进行金相 检验,可见显微组织为奥氏体,晶粒尺寸正常且分布均 匀,晶粒内有规则的孪晶和奥氏体晶界,见图８.

在烟管开裂处横截面上取样进行金相检验,由 图９可以看出,裂纹起源于烟管外表面并向内壁扩展,裂纹呈树枝状,主裂纹在开裂过程中又产生多条 分枝裂纹,其开裂方式为沿晶界开裂,具有典型的沿 晶型应力腐蚀开裂(SCC)的形貌特征[５Ｇ１０].开裂部 位主要集中在烟管插入下管板的部分,具有明显的 间隙应力腐蚀开裂的特征.

２ 分析与讨论 

余热锅炉自投入运行至首次发现渗漏仅半年时 间,根据对烟管开裂部位的宏观和微观形貌分析以 及对下管板处结垢物的成分分析,可以判断烟管的 开裂属于典型的奥氏体不锈钢在浓缩锅炉水中的应 力腐蚀开裂(或称锅炉水中的局部碱脆). 

应力腐蚀开裂是一种开裂型的局部腐蚀形式, 常出现在锅炉、压力容器和压力管道上.应力腐蚀 开裂的发生需要同时满足３个条件[９],一是材料具 有一定水平拉应力;二是材料较敏感;三是在特定的 材料Ｇ环境组合下,见表３ [１０].发生渗漏的余热锅炉 下管板烟管的运行工况满足了上述条件.下管板的 奥氏体不锈钢烟管在浓缩的锅炉水中易发生应力腐 蚀开裂,同时,烟管和筒体之间的热膨胀差及压力等 载荷在管板外圈处易产生较大的拉应力,这符合了 应力腐蚀的发生条件.从设计角度来看,选择奥氏 体不锈钢作为余热锅炉用烟管并不合适,而且余热 锅 炉还存在水质及排污等问题,造成其下管板与烟管连接处环向缝隙内的锅炉水严重浓缩,形成强碱 性环境,最终导致不锈钢烟管插入下管板的部分出 现开裂.考虑该余热锅炉的工作条件难以改变,可 用低碳２０钢代替 S３２１６８奥氏体不锈钢,可以避免 发生应力腐蚀开裂.

３ 结论及建议 

YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余热锅炉的奥氏体不锈钢烟管 选材不合适、锅炉水质差及底部排污不当等问题导 致烟管在浓缩锅炉水中发生应力腐蚀开裂. 

为避免再次发生应力腐蚀开裂,可采用低碳２０ 钢作为烟管材料,同时加强锅炉水质监控和排污管 理,避免出现严重的碱浓缩甚至结垢问题,余热锅炉 管板与烟管采用强度焊Ｇ密封胀相结合的连接方式, 以减轻环向间隙内的锅炉水浓缩导致的腐蚀,若技 术条件允许可以采用内孔焊技术,可彻底消除环向 间隙. 

参考文献: 

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[２] 孙猛．硫磺回收酸性气废热锅炉的设计[J]．化工管 理,２０１５,３２(１１):１２Ｇ１４． 

[３] 吴军,丁国敏．废 热 锅 炉 技 术 在 乙 二 醇 装 置 的 应 用 [J]．化工设计通讯,２０１７,４３(８):１１０Ｇ１１１． 

[４] 刘永刚,王建平,张伟,等．S１３５钻杆刺漏失效分析及 疲劳验证 试 验 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１５,５１ (８):５８３Ｇ５８９． 

[５] 马碌敏．奥氏体不锈钢石油化工设备的应力腐蚀[J]． 金山油化纤,２００５,２４(５):４６Ｇ５０． 

[６] 邱宏斌．奥氏体不锈钢输油管道焊缝的应力腐蚀失 效分析[J]．化工设备与管道,２０１１,４８(４):６８Ｇ７２． 

[７] 许万剑,杨春丽．３０４不锈钢焊管应力腐蚀开裂原因 [J]．腐蚀与防护,２０１４,３５(５):５１１Ｇ５１３． 

[８] 巴发海,薛宇．热交换器不锈钢管泄漏原因分析[J]． 理化检验(物理分册),２０１６,５２(６):４１５Ｇ４２１． 

[９] 林玉珍,杨德钧．腐蚀和腐蚀控制原理(第二版)[M]． 北京:中国石化出版社,２０１４:１６１． 

[１０] 中国石化集团洛阳石油化工工程公司．石油化工设 备设计便查手册(第二版)[M]．北京:中国石化出版 社,２００７:３５２． 

<文章来源   >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 56卷 > 1期 (pp:34-37)>