干熄焦余熱鍋爐爆管原因分析與處理

徐 明

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東青島 266000）

0 引言

干熄余熱焦鍋爐是干熄焦系統的重要組成部分，生產工藝流程如圖1 所示，N2（惰性氣體）在干熄爐中冷卻紅焦后，經一次除塵過濾后進入余熱鍋爐，經鍋爐系統降溫后進入二次除塵系統除去細小顆粒，再由循環風機鼓入干熄爐冷卻紅焦。鍋爐在N2冷卻過程中吸收熱量，產生蒸汽用于發電[1]。爐管內走水、汽，爐管間走循環氣體。當爐管破損后，漏出的水或汽隨循環氣體進入干熄爐，與紅焦發生水煤氣反應，造成循環氣體中H2和CO 含量急劇上升，若不采取相應的措施，將會發生爆炸事故，嚴重影響干熄焦的安全穩定生產。

圖1 干熄焦系統工藝流程

青島特鋼焦化廠干熄焦余熱鍋爐型號為Q290/950-114-10.3/540，2016 年投入使用，2021 年發生過多次爆管事故，分別在吊掛管、二次過熱直管段、一次過熱管直管段發生爆管事故，尤其在一次過熱器段鍋爐管的損傷較為嚴重，本文重點對一次過熱器的損壞原因進行分析。

1 原因分析

造成干熄焦鍋爐爐管破損的原因很多，有鍋爐設備本身和生產操作不當等原因，也有外部條件的原因，主要包括3 個方面：①管材本身材料問題或焊接工藝問題引發；②管材受熱不均造成的超溫爆管（包括短期超溫和長期超溫兩種）；③管材內部或外部結垢腐蝕、磨損引起[2]。

1.1 損壞情況分析

一次過熱器爆管位置見圖1，距離西側水冷壁約1.5 m 處，根據循環氣流走向分析，損壞的位置為氣流流速較快的區域，整根管子已經破裂、彎曲扭結（圖2）。

圖2 一次過熱管損壞情況

1.2 爆裂處爐管分析

爆裂口長度170 mm，寬45 mm，管壁原厚度4.5 mm，爆裂口處管壁厚度僅為0.86 mm，未爆裂處管壁減薄位置厚2 mm。對其進行化學成分、金相組織、掃描電鏡分析，分析部位如圖3 所示，對管道內外表面進行形貌及成分分析。

圖3 爆裂爐管試樣取樣位置

（1）將一次過熱器鍋爐管（12Cr1MoVG）試樣進行光譜分析，分析結果見表1。

表1 一次過熱器爐管化學成分 wt%

光譜分析結果顯示，管道五大元素及Cr、Mo、V、Ni、Cu 含量均符合國家標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中有關12Cr1MoVG 化學成分的要求，AS、Sn、Pb、Sb、Bi 含量無異常。一次過熱管化學成分正常，排除材料缺陷引起爆管。

（2）對樣品進行維氏硬度檢測，結果見表2，硬度符合國家標準GB/T 5310—2017 的要求。

表2 12Cr1MoVG 維氏硬度（HV 0.5）

（3）金相組織。使用金相顯微鏡對爆裂部位和正常部位進行檢驗，結果見表3、圖4。

圖4 金相組織

正常部位管道的外表面有很厚的氧化皮（290 μm）和脫碳層（63.85 μm），內表面脫碳層厚度為161.54 μm，組織為鐵素體+珠光體（部分球化），晶粒度為9 級；爆裂位置外表面無明顯氧化皮和脫碳層，內表面脫碳層厚度為227.43 μm，組織為鐵素體+珠光體（部分球化），晶粒度為9 級。正常位置帶狀組織如圖5 所示，內表面級別為1.0 級，外表面為0 級。

圖5 帶狀組織

組織、非金屬夾雜、脫碳層厚度和晶粒度均符合標準GB/T 5310—2017 的要求。

綜合以上鍋爐管材料分析可以得出，爆管的原因不是由材料缺陷引起。

1.3 爆裂處腐蝕產物分析

采用SEM+EDS 對腐蝕產物形貌觀察及成分分析，內表面為金屬色，無腐蝕，外表面有腐蝕產物，腐蝕產物部分已成塊脫落（圖6）。

圖6 爆裂位置腐蝕產物形貌

爆裂位置內、外表面及正常位置外表面的腐蝕產物成分見表4，爆裂位置外表面的腐蝕物中硫含量為9.10%，較正常位置的高出很多。

表4 爆裂位置內、外表面及正常位置外表面的腐蝕產物成分

根據Fe 與S 化學特性，在600 ℃高溫條件下，易發生化學反應生成黑色固體FeS，反應式如下：

根據鍋爐運行工況，過熱管外部介質為循環氣體（N2≥78%，H2≤3%，O2＜1%，CO＜8%，CO2＞14%，SO2含量2000～3000 mg/m3）及少量的粉末，溫度700～900 ℃，可以看出Fe 在此工況下易發生氧化還原反應，爐管表現為S 腐蝕，由于不斷的沖刷腐蝕，導致管道外壁減薄。

圖7 為鍋爐管橫截面圖，可見有一側的外管壁明顯減薄，僅為2 mm（正常管壁厚為4.5 mm），經確認該側即為管壁爆裂的一側，也是外部循環氣體直吹的一側。

圖7 鍋爐管橫截面

1.4 鍋爐管外壁脫落產物電鏡分析

鍋爐管外壁脫落物較為致密，電鏡形貌如圖8 所示，成分見表5。可以看出，脫落物外表面的硫含量明顯高于內表面。可以推斷外部循環氣體中的硫是導致鍋爐管外壁腐蝕的主要原因。

圖8 鍋爐管外壁脫落物電鏡形貌

鍋爐管內壁光滑，無雜質，直徑無增大現象，排除內壁腐蝕或結垢問題，故不對水質進行分析。

綜合以上分析，鍋爐管失效的主要原因是在余熱鍋爐內循環氣體的作用下，鍋爐管外壁產生硫腐蝕，在氣流的沖刷作用下腐蝕層逐步加深，導致爐管外壁減薄，最終在變薄的位置破裂，產生爆管現象。

2 處理措施

2.1 臨時處理措施

由于一次過熱管大面積出現減薄現象，減薄的部分需要全部更換，工作量較大，施工空間狹小，鍋爐關閉后干熄爐工況波動較大等多重因素的影響下，為保證安全，需要在最短的時間內完成搶修。當下全部更換不具備條件，故在保證強度安全的條件下，對損壞較嚴重的管子進行更換，通過對管子進行強度校核方式，理論計算得出具體臨界壁厚值，確定管子是否需要更換，壁厚低于該值時則進行更換，高于該值時暫不處理，計算過程如下：

根據GB 50316—2008《工業金屬管道設計規范》管子的理論厚度計算：

考慮臨時監護使用，不考慮腐蝕余量，則管子的最小壁厚：

式（1）、式（2）中，p 為計算壓力，取值為11.9 MPa；DW為管子外徑，取值為38 mm；［σ］為許用應力，在介質溫度470 ℃、壁溫520 ℃時，取值為98 MPa；φh為焊縫減弱系數，無縫鋼管取值為1；m 為鋼管厚度負偏差與取用壁厚百分比，按GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》，取值為10；C1為腐蝕減薄附加厚度，取值為0.5；C3為設計計算鋼管厚度負偏差附加厚度，由C1計算可得。

經計算，δmin=2.48 mm。選取壁厚2.5 mm 為臨界值，選擇所有管束的沖刷面作為檢測點，采用拋光機打磨表面，露出金屬光澤后，用超聲測厚儀測量厚度，厚度低于2.5 mm 的管子全部進行緊急更換，同時做好各項監護運行的措施，管子更換后余熱鍋爐正常運行，3 個月內未發生異常情況。

2.2 徹底處理措施

為徹底解決該隱患，須對一次、二次過熱器進行整體更換，根據分析結果和現場實際檢測情況，結合腐蝕機理，一次過熱器的材料由12Cr1MoVG 改為TP321h，同時氣流沖刷面增設316L 不銹鋼鱗片，兩種過熱器已在大修期間完成整體更換，檢修至今運行效果良好。

3 結束語

通過檢測分析得出：干熄焦余熱一次過熱器（材料12Cr1MoVG），在含硫高溫循環惰性氣體沖刷作用下易發生硫化腐蝕，嚴重影響過熱器的使用壽命；一次除塵不具備脫硫條件時，需更換過熱器材料或縮短使用周期，杜絕爆管事故的發生。本文通過現場工況分析、備件材料分析、理論計算和現場實測等，找出故障的根本原因，實現了故障的緊急處理和徹底處理，可為同類型的故障分析及干熄焦余熱鍋爐設計提供借鑒。