分享：余熱鍋爐不銹鋼煙管開裂原因分析

摘 要:某炭黑企業 YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余熱鍋爐不銹鋼煙管在使用中發生開裂.通過宏觀分析、 化學成分分析、金相檢驗等方法對煙管開裂的原因進行了分析.結果表明:煙管選材不合適、鍋爐 水質差及底部排污不當等問題導致煙管發生了應力腐蝕開裂.最后針對煙管開裂原因提出了預防 措施. 

關鍵詞:余熱鍋爐;不銹鋼;煙管;應力腐蝕開裂 

中圖分類號:TB３０４           文獻標志碼:B             文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００３４Ｇ０４ 

余熱鍋爐是一種廣泛用于石油化工、冶金、電力 等行業的熱量回收設備,起著至關重要的節能減排 作用[１Ｇ３].某炭黑企業的３００００t??a－１ 炭黑裝置中 采用立式 YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余熱鍋爐回收炭黑煙氣 的熱量,該余熱鍋爐結構如圖１所示,其設計條件見 表１.該鍋爐投用半年后,其下管板與多根不銹鋼 煙管的連接處發生開裂滲漏.對不銹鋼煙管進行了 現場維修補焊,半年后停車檢修時再次發現不銹鋼 煙管出現開裂滲漏.煙 管 材 料 為 S３２１６８(牌 號 為 ０６Cr１８Ni１１Ti)奧氏體不銹鋼.為查明該余熱鍋爐 不銹鋼煙管頻繁發生開裂滲漏的原因,筆者截取發 生開裂滲漏的煙管(長度約為１５０mm)進行了檢驗 和分析[４]. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

經過現場檢查發現,煙管滲漏開裂點全部位于 余熱鍋爐的下管板和不銹鋼煙管的連接處,在上管 板未發現滲漏點.余熱鍋爐下管板與煙管連接處首 次發生滲漏后補焊位置的宏觀形貌如圖２所示,可 見滲漏 處 全 部 分 布 在 換 熱 管 插 入 管 板 長 度 約 為 ５０mm 的區域內,滲漏區域分布如圖３所示.

１．２ 化學成分分析 

在對余熱鍋爐的拆解過程中發現,下管板殼程 側表面有一層厚度為１２~２０mm 的結垢物,且管板 中心處結垢物較厚,邊緣處結垢物較薄.由圖６可 以看出殼程結垢物存在明顯分層,結垢物下部貼近 管板表面(簡稱為管板側)呈黑褐色,致密堅硬;殼程 結垢物上部靠近水的一側(簡稱為水側)為淺紅棕 色,呈現出質地松軟的泥渣狀.圖７為插入管板內 的管段(環向間隙內)外壁水垢形貌,呈棕褐色,也很 堅硬.由于該余熱鍋爐為立式結構,上下管板在管 程、殼程溫差和殼程壓力作用下發生變形時,下管板 會發生下凹變形,使其表面水垢呈現出中心厚邊緣 薄的特征.對插入管板內的部分煙管外壁、余熱鍋爐殼程管板側和水側的結垢物分別進行 X射線衍射分 析,以檢測鍋爐中的水質情況,結果如表２所示. 

由表２可知,結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的質量分數分別為５３％和 ６５％,CaCO３ 在 殼 程 水 側 的 質 量 分 數 達 到 ６７％, Ca(OH)２在煙管外壁及殼程管板側質量分數達到 ３％~１０％,由此可見鍋爐中水質較差,這是因為: 

(１)余熱鍋爐水中硬質成分含量較多,主要是 Ca２＋ 和 Mg ２＋ ,該余熱鍋爐累計運行僅１a下管板結 垢物厚度就達到１０~２０mm.

(２)鍋爐水的pH 值較高,結垢物中 Ca(OH)２ 的質量分數達到３％~１０％. 

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

１．３ 金相檢驗 

根據 GB１３２９６－２０１３«鍋爐、熱交換器用不銹鋼無 縫鋼管»,在失效煙管裂口附近橫截面上取樣進行金相 檢驗,可見顯微組織為奧氏體,晶粒尺寸正常且分布均 勻,晶粒內有規則的孿晶和奧氏體晶界,見圖８.

在煙管開裂處橫截面上取樣進行金相檢驗,由 圖９可以看出,裂紋起源于煙管外表面并向內壁擴展,裂紋呈樹枝狀,主裂紋在開裂過程中又產生多條 分枝裂紋,其開裂方式為沿晶界開裂,具有典型的沿 晶型應力腐蝕開裂(SCC)的形貌特征[５Ｇ１０].開裂部 位主要集中在煙管插入下管板的部分,具有明顯的 間隙應力腐蝕開裂的特征.

２ 分析與討論 

余熱鍋爐自投入運行至首次發現滲漏僅半年時 間,根據對煙管開裂部位的宏觀和微觀形貌分析以 及對下管板處結垢物的成分分析,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 力腐蝕開裂(或稱鍋爐水中的局部堿脆). 

應力腐蝕開裂是一種開裂型的局部腐蝕形式, 常出現在鍋爐、壓力容器和壓力管道上.應力腐蝕 開裂的發生需要同時滿足３個條件[９],一是材料具 有一定水平拉應力;二是材料較敏感;三是在特定的 材料Ｇ環境組合下,見表３ [１０].發生滲漏的余熱鍋爐 下管板煙管的運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生應力腐 蝕開裂,同時,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生較大的拉應力,這符合了 應力腐蝕的發生條件.從設計角度來看,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 爐還存在水質及排污等問題,造成其下管板與煙管連接處環向縫隙內的鍋爐水嚴重濃縮,形成強堿 性環境,最終導致不銹鋼煙管插入下管板的部分出 現開裂.考慮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 發生應力腐蝕開裂.

３ 結論及建議 

YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余熱鍋爐的奧氏體不銹鋼煙管 選材不合適、鍋爐水質差及底部排污不當等問題導 致煙管在濃縮鍋爐水中發生應力腐蝕開裂. 

為避免再次發生應力腐蝕開裂,可采用低碳２０ 鋼作為煙管材料,同時加強鍋爐水質監控和排污管 理,避免出現嚴重的堿濃縮甚至結垢問題,余熱鍋爐 管板與煙管采用強度焊Ｇ密封脹相結合的連接方式, 以減輕環向間隙內的鍋爐水濃縮導致的腐蝕,若技 術條件允許可以采用內孔焊技術,可徹底消除環向 間隙. 

參考文獻: 

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[１０] 中國石化集團洛陽石油化工工程公司．石油化工設 備設計便查手冊(第二版)[M]．北京:中國石化出版 社,２００７:３５２． 

<文章來源   >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 56卷 > 1期 (pp:34-37)>