煤氣廢熱鍋爐失效原因及預防措施

張建民

1.故障描述

兩臺水煤氣廢熱鍋爐，使用BKU（釜式U形管換熱器），規格Φ2m/2.6m，L≈13.6m，換熱面積1957m2。設備管程介質是H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等組成的水煤氣，殼程是鍋爐補水（深度脫鹽水），并在內產生飽和蒸汽后排出。設備使用兩年后，發現出口蒸汽中CO含量明顯增高，判斷管程處出現泄漏。停車后水壓檢漏，發現管板堆焊層有11處漏點，后經堵漏處理，漏點反而增加到20多處，第二次水壓檢漏時又出現新的漏點。同時在管內壁發現黑色附著物，且泄漏水珠出現在管內壁，基本可以確定換熱管裂紋。經滲透檢測和打磨，裂紋越來越清晰，裂紋寬度由管內向外逐漸增加。

2.原因分析

在高溫水環境中，奧氏體不銹鋼在很低的應力下就可能發生應力腐蝕開裂。通過有限元分析發現，換熱管外壁的脹接殘余應力在 20～30MPa，除了脹接應力之外，還存在焊接應力、溫差應力及工作應力，因換熱管軸向拉應力最大，所以裂紋易沿軸向擴展，即裂紋垂直于拉應力方向。

對換熱管材料進行光譜分析，確認為0Cr18Ni10Ti。通過電子探針和顯微鏡對裂紋觀察，可看出裂紋源存在于換熱管的外表面，換熱管的金相組織為單相奧氏體晶粒，屬于正常的0Cr18Ni10Ti固溶處理后的組織形貌。但在微觀組織中發現TiNi脆性夾雜物以及其他一些大顆粒夾雜物，當腐蝕裂紋遇到這些夾雜物時會加速腐蝕。

對設備內部檢查，發現換熱管和管板之間存在縫隙，在縫隙內富集Cl-，證明殼程介質中含有 Cl-，從而引起換熱管應力腐蝕開裂。引起應力腐蝕的 Cl-主要來自鍋爐水，也不排除來自耐壓試驗用水。雖然介質中 Cl-的濃度并不高，但是換熱管與管板之間的貼合不緊密，為 Cl-的富集創造了條件。

管束內壁黑色附著物中的硫（S）元素含量較高，來源于原料煤，Fe和 Ni是水煤氣介質腐蝕設備形成的。當 S元素以濕H2S存在時，會引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕。所以應控制水煤氣中的 S元素含量。

另外，工藝不穩定導致操作負荷頻繁變化，從而降低設備的使用壽命。

應力腐蝕速度也與設備在腐蝕環境中所經歷的過程有關。如果在腐蝕性環境中呆一段時間，然后再干燥一段時間，再重新處于腐蝕性環境中時，其應力腐蝕速度更快。調查發現，廢熱鍋爐在 2011年下半年曾停用一段時間，2012年重新啟用。如果設備在第一次使用時就出現了應力腐蝕，那么后來的停車對應力腐蝕裂紋的擴展起到了加速作用。

3.預防措施

對于新設備，在制造方面建議將現用的 0Cr18Ni10Ti更換為奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼。該類型不銹鋼比18-8型不銹鋼有更強的耐少量氯化物應力腐蝕的能力。加強制造質量過程監控，加強保管，特別是管子搬運、鍋爐制造等過程中，避免造成人為表面缺陷，這些缺陷在一定的腐蝕環境中可能會形成點蝕，進一步引起應力腐蝕。

設備的管與管板連接處采用液壓脹接，制造時應適當增加脹接力，應避免過脹和欠脹，保證貼脹質量，消除間隙。

耐壓試驗時，所用水和生產時的鍋爐水，應嚴格控制Cl-和S的含量，定期檢測廢熱鍋爐的進水和排污水中Cl-和S的含量。

盡量減少停車，裝置停車時要排凈鍋爐水，保證設備處在干燥狀態，并用氮氣微正壓保護，避免出現干濕交替狀態。