廢熱鍋爐換熱管開(kāi)裂的原因及改進(jìn)

某廠發(fā)現(xiàn)設(shè)備管箱氣體出口處出現(xiàn)鍋爐給水，殼程蒸汽出口中有少量H2及CO2，懷疑U型管發(fā)生泄漏，遂停車(chē)對(duì)換熱管逐根進(jìn)行打壓的方式檢漏，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)上腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，對(duì)腐蝕點(diǎn)進(jìn)行綜合失效分析，得出泄漏是CI-引起奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。

1 設(shè)備基本參數(shù)及運(yùn)行情況

E402廢熱鍋爐是一臺(tái)結(jié)構(gòu)型式為DKU釜式重沸器的換熱設(shè)備，殼程設(shè)計(jì)壓力3.85Mpa，設(shè)計(jì)溫度270℃； 管程設(shè)計(jì)壓力9.0Mpa，設(shè)計(jì)溫度430℃。殼程介質(zhì)高溫鍋爐給水（脫氧水）中SiO2＜ 0.1mg/L，CI-≈3mg/L，PH=8.8～9.3，電導(dǎo)＜30υs/cm； 管程介質(zhì)變換氣成為H2為53.44%，CO2為41.47%，以及其他微量N2、CO、C H4和H2SO。廢熱鍋爐殼程主要材質(zhì)為Q345R，換熱管采用0Cr18 Ni10Ti管材，管箱采用日本SA387Gr.11CL2，內(nèi)壁堆焊3mm厚00 Cr19Ni10，管板采用日本SA336Gr.11CL3，管程側(cè)表面堆焊3mm厚00Cr19Ni10，以抗高溫氫腐蝕。為了分析換熱管裂管原因，首先對(duì)鍋爐給水中CI-濃度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)日監(jiān)測(cè)記錄發(fā)現(xiàn)，水中CI-濃度都控制在3mg/L左右，水質(zhì)較差，出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

2 失效狀況分析

2.1 裂紋分析

裂管主要集中在靠近管板處，如圖1所示位置。為了分析裂紋產(chǎn)生原因，對(duì)泄漏部位進(jìn)行取樣觀察，通過(guò)肉眼觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)管子外表面有腐蝕點(diǎn)及附于其上的凸起狀腐蝕沉淀物，形狀不規(guī)則，微微泛黃。將沉積物打磨掉以下，發(fā)現(xiàn)腐蝕物下面有凹坑及裂紋分布，但尚不能以此判斷裂紋成因及開(kāi)裂性質(zhì)。

圖1 裂管位置

為了分析縫隙內(nèi)腐蝕產(chǎn)物成分，對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行掃描能譜分析，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物主要成為Cr，微量非金屬元素為C1、O和S。分析中能檢測(cè)到腐蝕產(chǎn)物中含有C1，雖然含量較低，但也足以說(shuō)明C 1-誘發(fā)不銹鋼應(yīng)力腐蝕的可能。

對(duì)其中一個(gè)腐蝕點(diǎn)進(jìn)行打磨，發(fā)現(xiàn)腐蝕物下有凹坑，并且凹坑附近存在裂紋，如圖2（a）所示。在金相顯微鏡下觀測(cè)其金相組織，如圖2（b）所示，可以看到裂紋有多個(gè)裂紋源，并且具有樹(shù)枝狀的擴(kuò)展形貌，裂紋為穿晶開(kāi)裂。

圖2 裂紋形貌

將一個(gè)短線狀裂紋尖端處沿垂直于軸線的方向剖開(kāi)，觀測(cè)裂紋在橫截面上的擴(kuò)展形貌，如圖3所示，裂紋起源于管子外表面，且垂直于管壁向內(nèi)呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展，有主干，有分支，裂紋為穿晶擴(kuò)展，具有不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的典型形態(tài)，更增加了C1-誘發(fā)不銹鋼應(yīng)力腐蝕的可能性。

圖3 裂紋擴(kuò)展

2.2 水中CI-濃度的影響

對(duì)于Cr-Ni型奧氏體不銹鋼，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的極限C1-濃度是很低的，只要有C1-存在，就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，且發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界C1-濃度隨溫度的上升而減小，尤其在高溫下，當(dāng)僅含1到幾mg/L時(shí)，即能導(dǎo)致普通Cr-Ni型不銹鋼的應(yīng)力義烏破裂。該廢熱鍋爐給水中的C1-濃度是3mg/L左右，符合應(yīng)力腐蝕的條件。尤其是廢熱鍋爐具有氯離子濃縮的條件（反復(fù)蒸干，濕潤(rùn)），進(jìn)一步導(dǎo)致C1-濃度偏高。管板與管子脹接的縫隙處，容易發(fā)生縫隙腐蝕而產(chǎn)生凹坑，這些凹坑會(huì)成為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的起點(diǎn)，這也是裂管集中在管板附近的原因之一。

2.3 管壁應(yīng)力

設(shè)備正常工作狀態(tài)下，管壁內(nèi)氣體壓力Pi=9.0Mpa，管外壓Po=3.85Mpa，換熱管規(guī)格為φ25×2，則RO=12.5mm，R1=10.5mm，在不考慮熱應(yīng)力的情況下，周向應(yīng)力為16.99MPa、徑向應(yīng)力為3.85M Pa、軸向應(yīng)力為34.65Mpa。

雖然外壁應(yīng)力水平較低，但是仍具有應(yīng)力腐蝕的可能性。因?yàn)樵诟邷厮h(huán)境中，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕所需要的應(yīng)力值很低，一種說(shuō)法為3.5Mpa的應(yīng)力下即可發(fā)生應(yīng)力腐蝕，且管板與管子采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式，不銹鋼管束不做焊后熱處理，此處的焊接應(yīng)力和脹接拉應(yīng)力很大，實(shí)際管壁應(yīng)力值比理論計(jì)算值還要大，因此可認(rèn)為換熱管的應(yīng)力狀態(tài)具備應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的條件。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為上避免應(yīng)力腐蝕，采用更換熱熱管材質(zhì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到管程設(shè)計(jì)溫度420℃且有氫分壓存在，有可能產(chǎn)生氫腐蝕，使鋼材脫碳產(chǎn)生裂紋而失效，因而選擇抗氫鋼。通過(guò)查詢(xún)NELSON曲線，15CrMoR在操作工沖印上不會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕。幫U型換熱管采用15CrMo管材，避免C1-對(duì)奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，水中C1-濃度都控制在3Mg/L左右已經(jīng)是很?chē)?yán)格的指標(biāo)，如為了避免應(yīng)力腐蝕而控制C1-濃度，使其進(jìn)一步減小，將會(huì)使產(chǎn)生成本大幅增加，且即使極低的C1-濃度也會(huì)引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。因此，更換換熱管材料是避免奧氏體不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕的最直接有效的辦法。

[1]GB/T28413-2012，鍋爐和熱交換器用焊接鋼管.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版發(fā)行，2013.1

[2]GB150-2011，壓力容器.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版發(fā)行，2012.2