丙烯酸裝置余熱鍋爐爐管的爆裂原因

金光熙，金光日，畢學文，華 碩

（1.吉林化工學院理學院，吉林 132022；2.吉林石化公司電石廠，吉林 132021）

0 引言

吉林石化公司丙烯酸裝置余熱鍋爐以燃燒渣油產生的煙氣熱量為熱源來加熱20鋼爐管（以下簡稱爐管）中流動的冷凝水，使其產生水蒸氣供反應器用。爐管的外徑為38mm，厚度為3.5mm，進口煙氣溫度為700℃，出口煙氣溫度為480℃，爐管內的蒸汽壓力設計為0.8 MPa。2011年3月16日在運行過程中數根爐管（2004年開始使用）同時發生爆裂泄漏，使鍋爐無法正常工作。為了防止事故的再次發生，作者通過分析失效爐管的化學成分、微觀組織以及結垢物，找到了爐管爆裂的原因，并提出了解決辦法。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1（a）可見，爐管爆裂的位置在煙氣進口部位，煙氣出口部位的爐管幾乎沒有爆裂，所有爆裂的爐管均沿縱向爆裂，爆裂失效的長度約為140cm，這與進口煙氣通道的長度基本吻合。由圖1（b）可見，爐管在沿爆口厚度方向出現多層分層和不同程度的減薄，及爐管外壁氧化和剝落后的形貌；另外，煙氣進口方向的爐管均有脹粗的現象。為了系統地觀察和研究爐管爆裂的原因，停爐后分別截取一段已結垢但未爆裂還能通水的爐管、堵塞后尚未爆裂和堵塞后爆裂的爐管，觀察其橫截面形貌。從圖2可見，已結垢但未爆裂的爐管可以清晰地觀察到樹輪狀的內垢物，其質地堅硬，與爐管內壁結合牢固，不易脫落，表明爐管內部結垢是長時間積累的；堵塞后尚未爆裂的爐管，其堵塞物質地酥松，切割時還具有一定的濕度，發出類似于H2S的味道；堵塞后已爆裂的爐管，可以觀察到縱向裂紋發生在爐管減薄區域，同時可以觀察到外壁氧化物以及爆裂后與煙氣反應尚未脫落的內垢物。因此，可以推測爐管從內部結垢到爆裂經歷了一系列的物理、化學反應。

圖1 爆裂爐管的位置及其宏觀形貌Fig.1 Position（a）and macrograph（b）of the fractured boiler tubes

1.2 化學成分及內垢物組成

用Spectro Test CCD 型便攜式光譜儀（XRD）分析所截取的爆裂爐管的化學成分，結果見表1。可見爐管的化學成分符合GB 3087－1999《低中壓鍋爐用無縫鋼管》標準中對20鋼的技術要求。

由圖3可見，已結垢但未爆裂的爐管內質地堅硬的內垢物主要成分為硫酸鈣，堵塞后尚未爆裂爐管內質地酥松的內垢物主要成分為硫化鈣并有少量的硅酸鈣。由圖4可見，爆裂爐管內部的產物比較復雜，既有鐵的氧化物，也有鈣和硫的化合物，同時也含有納、鉀、硅、碳和氯等成分，這可能與渣油燃燒后的煙氣攜帶物與爐管內垢物發生的物理化學反應有關。

圖2 不同爐管截面的宏觀形貌Fig.2 Cross－section macrograph of the boiler tubes：（a）already scaled but not fractured；（b）blocked but not fractured and（c）fractured and blocked

表1 爆裂爐管的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of the fractured boiler tubes（mass） %

1.3 顯微組織

在離裂口120mm 處切取斷面試樣，經4%（體積分數）的硝酸酒精溶液腐蝕后進行觀察。由圖5可見，爆裂爐管內側組織中的珠光體基本消失，晶界及鐵素體基體上的球狀碳化物已逐漸長大，呈現球化現象。由圖6可見，爆裂爐管內側晶界和晶界內部有微裂紋及微孔洞；EDS 分析表明，在這些微裂紋與微孔洞內有硫、錳和鈣的富集。這說明硫、錳和鈣的富集物導致了晶界或晶界內部微裂紋和微孔洞的產生，促使爐管爆裂的發生。上述分析表明，爐管的爆裂不僅與長期過熱高溫蠕脹、氧化有關，而且還與爐管材料組織缺陷有關。

2 爆裂原因分析

20鋼管廣泛用于制造各種低中壓鍋爐、過熱蒸汽管、沸水管和水冷壁管［1－3］。受力情況下20鋼管的使用溫度不能高于475 ℃，抗氧化溫度上限為530 ℃。失效爐管進氣口溫度在700 ℃，因而在進氣口的爐管外表面不可避免地發生氧化現象，即使在爐管內無結垢物、材料導熱性能良好情況下，爐管外表面也會發生輕微的氧化現象。一旦爐管內有結垢物，特別是像硫酸鈣這樣質地堅硬、導熱性差的結垢物時，爐管的溫度將隨內垢物的增厚而升高，加劇外表面的氧化進程，爐管外表面溫度很快會超過530 ℃，此時爐管在發生高溫蠕脹的同時也會在外表面形成鐵的氧化膜。這種氧化膜主要由Fe3O4和Fe2O3組成［4］，由于氧化膜與鋼基體的熱膨脹系數和物相的差異造成氧化膜的脫落，如圖1 所示。爐管的高溫蠕脹與氧化將會導致爐管減薄，在煙氣進口部位的爐管尤為明顯，見圖2（c）。另外，爐管在高溫下長期運行后，其組織容易產生珠光體球化及石墨化現象；爐管內壁結垢將加速珠光體球化及石墨化現象，珠光體球化在降低爐管高溫性能的同時也降低了爐管的使用壽命［5］。可見，爐管高溫蠕脹和外部氧化減薄、珠光體球化及石墨化是爐管高溫性能下降和導致爆裂的主要原因。另外，前面已驗證堵塞后尚未爆裂爐管內部酥松物為硫化鈣，在接近700 ℃時硫酸鈣發生如下化學反應［6］：

硫化鈣遇水時再發生如下反應：

故質地酥松的內垢物有H2S 氣味。一旦內垢物完全堵塞爐管無水流通時，爐管因迅速蠕脹和外表面激烈氧化而很快發生爆裂現象。由此可見，爐管爆裂不僅經歷了長期過熱蠕脹減薄和氧化，而且在爆裂前內垢物發生了化學分解反應。

3 結論與建議

（1）爐管爆裂與其內部長期硫酸鈣結垢有關，爐管內水中的硫酸鈣在內壁結垢導致爐管的傳熱系數下降和水流量不足，從而導致爐管高溫蠕脹和管外壁升溫氧化、加速爐管材料的珠光體球化和石墨化，降低高溫性能，最終引起爆裂。

（2）建議升級爐管，選用比20 鋼性能更好的12Cr1MoV 合金鋼，因為該材料中含鉻，鉬和釩，可以形成穩定的合金碳化物，減緩球化速度，較20鋼具有更高的熱強性和抗氧化性及高的持久塑性，能延長爐管的使用壽命。

（3）另建議軟化和凈化水質，從源頭上消除容易結垢的硫酸鈣和碳酸鈣等雜質，保證爐管長壽命穩定運行。

［1］張長興，金洪生.鍋爐汽包下降管焊縫熱處理方法［J］.電力技術，1985（3）：70－71.

［2］錢祥鵬.給水、爐水、汽水混合物、飽和蒸汽管彎頭運行的可靠性［J］.華北電力技術，1984（10）：35－37.

［3］李俊.410T／h鍋爐水冷壁管高溫腐蝕及處理［J］.化工設備與防腐蝕，1998（3）：47－49.

［4］朱日彰，何業東，齊慧濱.高溫腐蝕及耐高溫腐蝕材料［M］.上海：上海科學技術出版社，1993.

［5］李艷林.鍋爐熱管失效分析及預防［M］.北京：電力出版社，2006.

［6］ГИHCTЛИHГИ A M，BOЛКOB A Д，姜漢平.在硫酸鈣與碳相互作用下生成單體硫的反應［J］.硫酸工業，1966（增2）：66－69.