乙烯裂解爐廢熱鍋爐集束管失效原因分析與改進

魏 冬

（中國石化股份有限公司天津分公司，天津 3 00271）

一、概況

某廠乙烯裝置裂解爐配套國產四臺橢圓封頭雙套管式廢熱鍋爐（簡稱TLE），其作用是降低裂解氣溫度以及回收余熱，并產生壓力為12.4MPa、溫度326℃的高壓蒸汽。TLE管程流動介質為高溫裂解氣，殼程是鍋爐水和受熱產生的高壓蒸汽。主要技術參數見表1。

表1 TLE主要參數表

經過幾年運行后對這四臺TLE進行內外部檢驗，發現A、B、C三臺設備裂解氣入口側管板都有不同程度的球化現象，其中C臺管板嚴重球化，管板有3處鼓包，最薄處厚度2.9mm；A臺管板完全球化，管板有1處鼓包，最薄處厚度7.3mm。根據檢驗結果，A臺修復降級使用，C臺報廢。

二、檢驗

1.外觀檢驗

外觀檢驗發現TLE下管箱集束管外觀呈烏灰色，有高溫氧化特征，其中有三條集束管上出現了鼓包，鼓包部位見圖1。最大鼓包處鼓出12mm左右，局部放大示意圖見圖2。

對三處鼓包部位和無鼓包部位分別進行剖斷檢查，發現鼓包部位水側內壁都附著結垢物，結垢物由松散的碳黑色粉末和厚度約有5mm的層狀硬塊組成；在對無鼓包部位集束管剖斷檢查后發現，管壁內清潔，有一層氧化膜。

2.超聲波測厚檢測

通過超聲波檢測發現，集束管所有未發生鼓包的部位壁厚均正常，而鼓包區域則都顯示出壁厚減薄，且鼓包越大，減薄現象越嚴重。

3.換熱管化學成分分析

對廢熱鍋爐集束管所用15Mo3鋼管的化學成分進行了分析，并與DIN標準進行了對比，數據見表2。

表2 TLE集束管化學成分分析數據%

通過將15Mo3鋼的化學成分分析數據與DIN標準值對比可以知道，TLE用鋼符合15Mo3鋼的制造標準要求。

4.硬度檢測和復膜金相檢測

對所有鼓包部位和隨機抽取未發生鼓包部位進行硬度測試，檢測結果為：鼓包處測定值為HB88～110，未鼓包部位測定值為HB120～140。通過硬度檢測結果可知鼓包部位的材質出現劣化，強度下降。

在對集束管鼓包頂部、鼓包截面根部部位和未發生鼓包部位分別進行了復膜金相分析。

15Mo3的正常金相組織為鐵素體＋珠光體的形態，滲碳體組織分布在鐵素體基體中。鼓包頂部部位金相組織為粒狀珠光體組織，屬于嚴重球化。鼓包部位截面根部區域的金相組織滲碳體球化狀況要稍微好一些，未發生鼓包部位的復膜金相組織較為正常。

5.垢樣分析

在去除松散的的黑色粉末后，對層狀硬塊進行了燒灼減量、酸不溶物和氧化鈣、氧化鎂、氧化鋅等氧化物的測定。檢測數據見表3。

從分析結果可知，鼓包部位層狀硬垢62%以上是Fe2O3，即大部分為腐蝕產物。

6.鍋爐水質分析（見表4）

表3 TLE集束管內部垢樣分析數據 %

三、失效原因分析

（1）從上述檢驗情況看，TLE內外管及管板材質采用的是使用條件為≤530℃的15Mo3過熱器管，能夠滿足正常的工況條件；通過管材的化學成分分析，各項指標符合標準，可以認定TLE的材質沒有問題。檢查歷史工藝操作和鍋爐水質記錄，各項運行參數均在設計范圍內，可以排除因工藝操作和水質原因而引起廢熱鍋爐集束管損壞。

（2） 鼓包部位有硬垢，說明鍋爐水內存在不溶固體顆粒。雖然鍋爐水供水指標正常，但由于鍋爐水在運行中不斷受熱氣化，鍋爐水內微量元素會不斷濃縮，包括氯離子在內的微量元素會對鍋爐換熱管發生腐蝕。排污間隔時間為1個月左右，間隔時間較長，就增加了鍋爐水內微量元素對換熱管腐蝕的幾率。TLE下管箱集束管為高溫裂解氣入口，局部下凹使局部流速降低，造成氯離子局部含量增加，所以易產生氯離子腐蝕。

（3） 鍋爐殼程的水蒸氣介質中的微量固體顆粒（包括腐蝕產物）向下沉積，下管箱上表面不夠平滑，集束管局部存在下凹，點蝕造成下凹處聚集更多的腐蝕物，造成固體顆粒流動不好，在此處形成局部結垢區。

局部結垢區出現后，在疏松多孔的腐蝕產物覆蓋下的金屬表面，將會出現垢下腐蝕。隨著垢層的增加，下管箱集束管的熱傳導率將進一步降低，金屬溫度逐漸升高，從而出現局部高溫點。該區域出現垢下腐蝕后，腐蝕產物將進一步增加垢層厚度，如此循環作用，使金屬溫度進一步升高，使15Mo3集束管材質出現了異常珠光體球化，甚至嚴重球化。材質的損傷又進一步降低了材料的機械強度性能指標，腐蝕的加劇又導致了局部減薄，二者相互作用，達到承載能力不足以承受約為12.4MPa的內壓時，該部位就會出現鼓包。

（4） 15Mo3材質最高允許使用溫度為530℃，從工藝上滿足要求，但在有結垢傾向的條件下，材質的安全裕度不足，抗異常升溫能力脆弱。最近的研究結果表明，15Mo3鋼及其相類似的鉬鋼組織穩定性不夠好，如長期在500～550℃溫度范圍內使用，有珠光體球化和石墨化傾向，尤其在焊接接頭區域容易產生球化，近年來已逐步被低碳鉻鉬鋼所取代。

綜上所述，廢熱鍋爐下管箱集束管出現鼓包現象的外因可以歸結為：鍋爐水濃縮存在氯離子等微量元素對金屬表面腐蝕的作用；鍋爐水中存在腐蝕產物等雜物顆粒；下管箱集束管局部存在下凹，殼程內的固體顆粒在該區域沉積，長期積累形成局部區域結垢區，局部結垢進一步造成腐蝕加劇和局部異常升溫。材質損傷的內因是15Mo3材質最高允許使用溫度低，抗異常溫升能力脆弱。

四、改進措施

（1）增加鍋爐水排污次數，控制廢熱鍋爐殼程鍋爐水微量元素含量，降低微量元素對金屬表面的腐蝕；加強對下管箱集束管的清洗，及時清垢，以降低垢下腐蝕的幾率。

（2）改進管箱集束管表面質量，或者改進管箱套管結構，使沉積顆粒容易被沖走，避免出現局部結垢區。

（3）在廢熱鍋爐制造選材上應考慮提高材料的等級，可以采用12Cr1MoV，其使用條件為溫度≤570℃的受熱面管，能夠提高抗異常溫升的能力，且價格與15Mo3管材相差不大。

[1]姜求志，王金瑞.火力發電廠金屬材料手冊 [M].中國電力出版的社，2004.