摘 要:某炭黑企業(yè) YGＧ１．１Ｇ１６５Q 型余熱鍋爐不銹鋼煙管在使用中發(fā)生開裂.通過宏觀分析、 化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)等方法對煙管開裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:煙管選材不合適、鍋爐 水質(zhì)差及底部排污不當(dāng)?shù)葐栴}導(dǎo)致煙管發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂.最后針對煙管開裂原因提出了預(yù)防 措施.

關(guān)鍵詞:余熱鍋爐;不銹鋼;煙管;應(yīng)力腐蝕開裂

中圖分類號:TB３０４ 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)的熱量回收設(shè)備,起著至關(guān)重要的節(jié)能減排 作用[１Ｇ３].某炭黑企業(yè)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(jié)構(gòu)如圖１所示,其設(shè)計(jì)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(fā)生開裂滲漏.對不銹鋼煙管進(jìn)行了 現(xiàn)場維修補(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 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(長度約為１５０mm)進(jìn)行了檢驗(yàn) 和分析[４].

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(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 見滲漏 處 全 部 分 布 在 換 熱 管 插 入 管 板 長 度 約 為 ５０mm 的區(qū)域內(nèi),滲漏區(qū)域分布如圖３所示.

１．２ 化學(xué)成分分析

在對余熱鍋爐的拆解過程中發(fā)現(xiàn),下管板殼程 側(cè)表面有一層厚度為１２~２０mm 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,以檢測鍋爐中的水質(zhì)情況,結(jié)果如表２所示.

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 數(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％,由此可見鍋爐中水質(zhì)較差,這是因?yàn)?

(１)余熱鍋爐水中硬質(zhì)成分含量較多,主要是 Ca２＋ 和 Mg ２＋ ,該余熱鍋爐累計(jì)運(yùn)行僅１a下管板結(jié) 垢物厚度就達(dá)到１０~２０mm.

(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) 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(jìn)行金相 檢驗(yàn),可見顯微組織為奧氏體,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,見圖８.

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[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(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)對煙管開裂部位的宏觀和微觀形貌分析以 及對下管板處結(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Ｇ環(huán)境組合下,見表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.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(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.

３ 結(jié)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(zhì)差及底部排污不當(dāng)?shù)葐栴}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)垢問題,余熱鍋爐 管板與煙管采用強(qiáng)度焊Ｇ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.

參考文獻(xiàn):

[１] 張慧明,林小妍．炭 黑 工 業(yè) 煙 氣 余 熱 的 回 收 及 利 用 [J]．環(huán)境保護(hù)科學(xué),１９９５,２１(４):３６Ｇ３９．

[２] 孫猛．硫磺回收酸性氣廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)[J]．化工管 理,２０１５,３２(１１):１２Ｇ１４．

[３] 吳軍,丁國敏．廢 熱 鍋 爐 技 術(shù) 在 乙 二 醇 裝 置 的 應(yīng) 用 [J]．化工設(shè)計(jì)通訊,２０１７,４３(８):１１０Ｇ１１１．

[４] 劉永剛,王建平,張偉,等．S１３５鉆桿刺漏失效分析及 疲勞驗(yàn)證 試 驗(yàn) [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊),２０１５,５１ (８):５８３Ｇ５８９．

[５] 馬碌敏．奧氏體不銹鋼石油化工設(shè)備的應(yīng)力腐蝕[J]． 金山油化纖,２００５,２４(５):４６Ｇ５０．

[６] 邱宏斌．奧氏體不銹鋼輸油管道焊縫的應(yīng)力腐蝕失 效分析[J]．化工設(shè)備與管道,２０１１,４８(４):６８Ｇ７２．

[７] 許萬劍,楊春麗．３０４不銹鋼焊管應(yīng)力腐蝕開裂原因 [J]．腐蝕與防護(hù),２０１４,３５(５):５１１Ｇ５１３．

[８] 巴發(fā)海,薛宇．熱交換器不銹鋼管泄漏原因分析[J]． 理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１６,５２(６):４１５Ｇ４２１．

[９] 林玉珍,楊德鈞．腐蝕和腐蝕控制原理(第二版)[M]． 北京:中國石化出版社,２０１４:１６１．

[１０] 中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司．石油化工設(shè) 備設(shè)計(jì)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(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>56卷>1期(pp:34-37)>