基于失效模式的廢熱鍋爐老舊設備檢維修經驗總結

摘 要 提出了基于失效模式的廢熱鍋爐檢維修理念，討論了合成氨轉化廢熱鍋爐常見的失效模式，包括鉻鉬鋼材料劣化、金屬粉末化腐蝕、局部腐蝕及破壞、疲勞失效及熱棘輪、耐火襯里失效等。結合檢維修經驗分析了這些失效模式的原因，并提出了在檢維修工作中應采取的應對措施，展望了推動老舊裝置國產化替代的趨勢和必要性。

關鍵詞 廢熱鍋爐 蒸汽發生器 失效模式 檢維修 國產化替代

中圖分類號 TQ051.6" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2025）02?0328?05

轉化廢熱鍋爐又名蒸汽發生器，是大型天然氣制合成氨裝置中的核心設備，其穩定運行對于提高生產效率、降低能耗具有重要意義。該裝置運行環境苛刻，需在極短的時間內將960 ℃的高溫轉化氣冷卻至350 ℃且副產10 MPa以上的高壓蒸汽，整體設計制造難度較大，主要依賴進口。海洋石油富島有限公司共有3套年產30萬噸的合成氨裝置，其轉化廢熱鍋爐分別采用Borsig公司、Alstom公司和FBR公司的進口設備。這些進口設備價格昂貴、供貨周期長、交期難以保證、售后服務周期長，一旦出現設備壞損，勢必造成重大經濟損失。

為了解決合成氨轉化廢熱鍋爐的檢維修問題，筆者探索了設備維護與檢修的新思路，通過借鑒裝備設計中基于失效模式的設計理念，提出了基于失效模式的理念開展廢熱鍋爐設備檢維修工作并取得了一定的成效。

1 廢熱鍋爐的主要失效模式概述

GB 150—2011《壓力容器》在修訂時參照國際標準和發達工業國家的經驗，確定了影響壓力容器本質安全的若干因素，提出了以失效模式為基礎的壓力容器設計理念，這一先進理念對保障壓力容器的本質安全大有裨益[1～3]。

由于廢熱鍋爐工作環境和運行條件較復雜，需要考慮多種失效模式以確保設備的安全運行。需要注意的是，廢熱鍋爐設備存在一些特有的失效模式，這些失效模式往往不直接作用于主要受壓元件，卻是影響設備運行的關鍵因素。

筆者借鑒以失效模式為基礎的壓力容器設計理念，參考IOS 16528?1中列出的三大類13種失效模式[4]，并結合GB/T 30579—2022《承壓設備損傷模式識別》[5]，針對廢熱鍋爐設備的特殊性和運行檢修要求，進行了該設備全設計壽命中的危害識別和風險控制，進而總結出廢熱鍋爐在檢維修中需關注的主要失效模式，并列于表1[6～8]。

2 廢熱鍋爐主要失效模式及檢維修應對措施

2.1 常規失效模式

表1中列出的第1～3條所涉及的強度、剛度和穩定性失效、泄漏失效和材料均勻腐蝕，是一般壓力容器通用的失效模式。針對這些問題，只要通過遵循常規的檢維修規程即可得到有效預防。這些措施包括但不限于定期對設備壁厚、表面裂紋等進行檢測;監控設備壁厚減薄情況，如發現有裂紋萌生及時清理修復;更換密封墊片時嚴格選用原設計規定的墊片材料和類型，注意對密封面的劃痕和腐蝕進行及時修復等。

2.2 鉻鉬鋼材料劣化

鉻鉬鋼是廢熱鍋爐管箱、管板及換熱管等關鍵部件的常用材料，與普通碳鋼或低合金鋼相比，其抗氫腐蝕能力和耐高溫氧化能力更強。鉻鉬鋼在使用過程中會出現氫腐蝕、氫脆及回火脆化等材料劣化模式。

氫腐蝕是由于臨氫環境下氫進入鋼材中并與碳反應生成甲烷氣體，甲烷進入晶界或夾雜界面的縫隙形成氣泡，氣泡長大并連接形成裂紋、發生脫碳，導致鋼材破裂;氫脆是在設備制造、焊接或服役等過程中氫原子擴散進入鋼材中，使其韌性下降，在殘余應力和外部載荷的作用下發生的脆性斷裂，是氫引起的滯后開裂;回火脆化是合金鋼長期暴露在343～593 ℃范圍內，操作溫度下材料韌性沒有明顯降低，但材料微觀組織結構變化，降低溫度后發生脆性開裂的過程。

為了應對設備中鉻鉬鋼部件出現材料劣化的問題，可以從以下方面入手[9]：在購買設備時根據需要選擇耐高溫腐蝕能力強的金屬;工藝設計和運行過程中依據納爾遜曲線制定操作溫度，盡量避免超過臨界溫度運行;采用先升溫、后升壓，先降壓、后降溫的開、停車步驟，控制最低加壓溫度;定期對焊縫進行UT檢測，必要時可對鉻鉬鋼母材和焊縫做金相復膜檢查;補焊和其他焊接作業時嚴格按焊接工藝進行熱處理，避免氫脆，有條件的要在補焊后進行RT檢測。

2.3 金屬粉末化腐蝕

金屬粉末化腐蝕是在高碳活度、低氧活度下發生的一種災難性碳化形式，是在高溫和特定氣氛下的異常腐蝕形式。金屬粉末化腐蝕產生于482～816 ℃的強碳化、低氧活度氛圍中，在這個氛圍下金屬表面的氧化膜缺失，滲碳過程異常嚴重，導致金屬表面迅速發生碳化物的分解[10]。

由于合成氨廢熱鍋爐同時滿足溫度介于482～816 ℃和強碳化、低氧活度氛圍的氣體氛圍，因此直接暴露在轉化氣中的熱保護套管、中心調節閥等部件會發生金屬粉末化腐蝕。熱保護套管發生金屬粉末化腐蝕至穿孔后高溫工藝氣直接沖擊管接頭，會導致管接頭和熱端管束失效，引發管接頭泄漏甚至爆管。當中心調節閥的部件發生金屬粉末化失效后，會造成廢熱鍋爐設備因無法調節轉化氣出口溫度而影響后續工藝流程，嚴重時會造成非計劃停車。

在檢維修時，需要認真檢查熱保護套管、調節閥等部件，發現壁厚減薄甚至穿孔時，需進行維護或更換。需要注意的是，上述材料一般選用BCC晶體結構的材料，即Cr及Si、Al、Nb、W、Mo、T等元素較高的Ni?Cr?Fe合金，如Alloy 600、Alloy 602CA及Alloy 690/693等，而不選用不耐金屬粉末化腐蝕的Fe?Cr?Ni合金，如Incoloy800H、06Cr25Ni20等。這些原材料采購困難，供貨周期長，因此需要提前準備充足的備件。另外，通過對材料表面的特殊處理來減緩金屬粉末化腐蝕的方式已經在生產實踐中得以證實，緊急情況下可用進行特殊表面處理的Fe?Cr?Ni替代;但僅進行表面處理的部件其使用壽命不是很長，因此在需要嚴格控制金屬粉末化腐蝕的區域，最好同時選用耐金屬粉末化腐蝕的Ni?Cr?Fe合金和表面處理。

2.4 局部腐蝕及破壞

廢熱鍋爐設備中常見的局部腐蝕有二氧化碳腐蝕和垢下腐蝕。

二氧化碳腐蝕多為露點腐蝕，由于合成氨裝置中的廢熱鍋爐為高壓廢熱鍋爐，殼程汽水混合物的溫度在300 ℃以上，遠高于管程轉化氣的露點溫度，因此一般情況下不發生二氧化碳露點腐蝕。但在開停車過程中和廢熱鍋爐系統運行異常時會短暫發生二氧化碳露點腐蝕;另外，在廢熱鍋爐冷端管板處，如有微量泄漏，泄漏出的水與二氧化碳結合，也會發生類似露點腐蝕形態的二氧化碳腐蝕，而且這種腐蝕呈加速趨勢，因為微量的泄漏點會因腐蝕的原因不斷擴大，不斷擴大的泄漏點又會加劇二氧化碳腐蝕的發生。

在檢維修時，需要對廢熱鍋爐冷端管板和管箱進行檢查，如發現有二氧化碳腐蝕的跡象，應及時進行修補。尤其需要注意的是，在管板處發生微小的泄漏點時，一定要及時修補以防止二氧化碳腐蝕的發生。

垢下腐蝕是在外界環境和腐蝕介質的綜合作用下，垢層以下金屬形成閉塞原電池腐蝕的現象。垢下腐蝕會形成溫差電池和氧濃差電池，是一種加速作用的局部腐蝕[11，12]。另外，結垢還會造成換熱管過熱，嚴重時會發生爆管。

檢維修過程中需要監控垢層厚度，發現結垢時可以通過處理垢層的方式減少垢下腐蝕，除垢一般安排在停車時進行，除垢頻率可為每年兩次，也可根據垢層厚度調整除垢時間。

2.5 非受壓元件的材料熱老化、蠕變變形及蠕變斷裂

材料熱老化是奧氏體不銹鋼或雙相鋼等材質的鋼材在高溫下長期服役，材料組織發生變化，引起鐵素體調幅分解并析出G相及碳化物，造成的材料脆化現象，Incoloy800等高端材料也會發生材料熱老化現象。在低于屈服應力的載荷下，高溫設備金屬材料隨時間推移緩慢發生塑性變形的過程稱為蠕變，蠕變變形導致構件實際承載面收縮，應力增大，導致變形，并最終發生不同形式斷裂。這兩類失效一般出現在廢熱鍋爐直接與高溫氣體接觸的金屬部分，如耐火襯里襯套和調節閥銷子。

在澆筑耐火襯里和檢維修更換耐火襯里時，部分廠家為避免澆注料裂紋引起的超溫，在耐火襯里上設置了06Cr25Ni20或Incoloy800H材質的耐熱鋼護套。但工藝氣溫度常高達800～1 000 ℃甚至更高，在金屬熱老化、蠕變以及金屬和耐火襯里熱膨脹系數不同等因素的聯合作用下，耐熱鋼護套常會與耐火襯里分離甚至發生斷裂，導致澆注料破損，引發超溫。有時，斷裂的耐熱鋼護套會壓在熱端管板上導致一部分管子無法參與換熱，這時剩下的管子就需負擔全部氣流，從而造成因熱流密度過高引起的廢熱鍋爐故障。

中心調節閥的分布器和銷子在使用時也要注意熱老化和蠕變的影響，2520系列耐熱鋼和Incoloy800系列合金在使用2年后開始出現熱老化，使用5年后需要格外引起注意，Inconel600合金在使用5年后開始出現熱老化，使用10年左右需要格外注意。

在檢維修時，應檢查耐熱鋼護套和中心調節閥部件的壞損情況，如發現有材料劣化甚至脫落風險時，應及時修復或更換。另外，如今的耐火襯里質量相較于20世紀90年代和21世紀初已有大幅提升，只要保證耐火襯里的施工、養護和烘爐嚴格按操作流程進行，僅依靠耐火襯里本身即可滿足設備運行要求，沒有必要為澆注料設置耐熱鋼護套;所以在空間允許的情況下，建議檢維修時將耐熱鋼護套更換成耐磨性能較好的剛玉澆注料。

在對耐熱鋼護套和中心調節閥部件補焊或更換時，由于焊縫處的高溫性能比母材差，因此建議升級焊材，補焊時2520系列耐熱鋼和Incoloy800合金用焊條建議為ENiCrFe?3，Inconel600系列合金建議使用ERNiCr?3。

2.6 疲勞失效及熱棘輪

疲勞失效和熱棘輪雖然有所區別，在設計上需要認真區別對待，但其本質都是循環應力（不僅是壓力載荷變化造成的循環應力，周期性的溫度變化也會造成循環應力）作用下，微裂紋不斷擴展與深化，使得結構或部件的有效工作面減小，每一個加載循環下都會有一定量的損傷，當損傷增量到一定程度時就會突然破裂。這種失效是管板裂紋的主要原因。管板是廢熱鍋爐的核心零件，管板裂紋導致的泄漏是非常嚴重的失效，將導致非計劃停車。

檢修時要對管板進行PT檢測，發現裂紋及時修補以避免裂紋擴大造成泄漏。管板裂紋的現場修復作業難度大，這是由于管板一般由鉻鉬鋼制造，焊接時易產生冷裂紋、再熱裂紋、延遲裂紋;現場作業條件不足，增加了焊接缺陷產生的可能;由于設備服役時間長，經過長期高溫連續運行，工藝氣中的H、C、S、P等元素不斷滲入管板，改變了管板的組織成分[13]。因此在修復管板裂紋時要根據現場實際情況，適當調整焊材合金元素的含量，制定切實可行的焊接和熱處理工藝，焊接人員要控制好層間溫度[14]、起弧息弧位置并打磨修理好坡口和接頭，在焊接、熱處理后按工藝進行UT和PT檢測。

2.7 耐火材料失效

澆注料是用于降低管箱內壁溫度的不定形耐火材料。由于合成氨轉化廢熱鍋爐入口工藝氣溫度高、流速快，一般需設置耐磨層和隔熱層兩層澆注料，耐磨層澆注料常選用剛玉料，隔熱層澆注料常選用氧化鋁澆注料[15]。澆注料失效方式有磨損、裂縫和剝落;由于存在耐磨層澆注料，磨損對設備安全運行的威脅較小，定期檢查澆注料厚度即可排除隱患;小范圍的裂縫對設備運行影響較小，但貫穿性的裂縫會使澆注料剝落進而導致管箱超溫，嚴重威脅設備運行。

烘爐是不定形耐火澆注料施工和使用過程中的關鍵環節。其作用主要是排除襯里中的游離水、化學結合水和獲得高溫使用性能[16]。澆注料發生貫穿性裂紋的主要原因是耐火襯里施工質量差、烘爐未按工藝要求和停爐維護不當。因此耐火襯里應在施工時嚴格按照配方要求加料混合，不得隨意改變混合工藝，在澆注料施工完畢后應進行陰干且不得低于72 h;烘爐前應根據需要進行預烘爐，烘爐應按烘爐溫度曲線逐步升溫;停爐后要及時檢查養護，避免發生裂紋。

3 結論與展望

3.1 結論

失效模式分析作為一種預防性維護策略，其核心在于通過識別設備潛在的失效原因和模式，制定針對性維修措施，以延長設備的使用壽命和提高運行效率。基于失效模式的廢熱鍋爐設備檢維修工作是一種行之有效的維護策略。它不僅提高了設備的運行效率和可靠性，還降低了企業的運營成本，為我國合成氨工業的可持續發展提供了有力支持。未來，將繼續深化失效模式分析在設備維護領域的應用研究，為推動我國合成氨工業的技術進步和產業升級做出更大貢獻。

3.2 展望

通過對《推動工業領域設備更新實施方案》等國家政策的深入學習，理解了國家對生產企業“實施本質安全水平提升行動”的要求，認識到與其投入大量資源和精力讓進口老舊設備超期服役，不如選擇將設備進行國產化更新，以推動老舊裝置國產化替代。

精心維護雖然能暫時延長設備的使用壽命，但老舊裝置本身存在技術需更新以及長期運行帶來的老化問題，使得其使用性能和安全性難以持續滿足生產要求。此外，超期服役的設備一旦發生故障，可能導致嚴重的生產損失甚至人員傷害，給企業和社會帶來巨大損失。

相比之下，將合成氨廢熱鍋爐等設備進行國產化更新，一方面能夠顯著提升設備的安全性和可靠性，降低因設備老化、故障等帶來的安全風險;另一方面，國產化替代有助于發展新質生產力，促進國內相關產業的發展，提升我國工業裝備的自給能力，減少對外依賴，增強國家經濟安全。此外，國內企業在設備研發、生產、維護等方面具有地理和服務的優勢，能夠更快速地響應市場需求，提供定制化解決方案，滿足企業個性化需求。因此，推動合成氨廢熱鍋爐等老舊裝置的國產化替代，不僅是響應國家政策、提升本質安全水平的需要，也是促進產業發展、提升國家競爭力的重要舉措。

推動老舊裝置的國產化替代不僅有助于降低生產成本和提高經濟效益，還能促進國內相關產業的發展和技術創新。未來，隨著政策的進一步支持和市場需求的不斷增長，國產廢熱鍋爐設備將在化工行業中發揮更加重要的作用。

參 考 文 獻

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