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煤氣廢熱鍋爐失效原因分析及預防措施

2021-01-28 11:35:15 作者：本網整理來源：工業小南點分享至：

1、概述

水煤氣廢熱鍋爐又稱中壓廢鍋，是變換系統關鍵設備，該設備管程的介質是由 H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等組成的水煤氣，廢鍋殼程是鍋爐補水（深度脫鹽水），并在內產生飽和蒸汽后排出。設備在使用兩年左右后，發現出口蒸汽中CO含量明顯增高，判斷管程處出現泄漏。設備停車檢修時，并未發現宏觀缺陷，水壓檢漏時，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，在管子內壁發現一些黑色附著物，且泄漏水珠出現在管內壁，基本可以確定裂紋出現在換熱管上。經滲透檢測和打磨，一開始在管內壁并未發現裂紋，隨著打磨的進行，裂紋出現并越來越清晰，同時裂紋寬度由管內向外逐漸增加，因此，可以初步判定是由裂紋起的。

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之間，除了脹接應力之外，還存在焊接應力、溫差應力以及工作應力等的疊加，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的方向。

1）對換熱管材料進行光譜分析，成分基本滿足GB/T14976標準要求，確認為0Cr18Ni10Ti。

2）通過電子探針和顯微鏡對裂紋的觀察，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。但是，在微觀組織中發現了 TiN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通過電子探針和顯微鏡對裂紋的觀察，可看出裂紋源存在于換熱管的外表面（點蝕），并平行于軸向和管徑向發展；裂紋的一個（或多個）分支在沿徑向發展時遇到材料基體中的缺陷，加劇了腐蝕的程度，繼續向前發展成為穿透性裂紋，引起管內介質泄漏。兩種觀測方法的結果都顯示，裂紋具有典型的應力腐蝕形貌。

3）通過對設備內部檢查，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脹不緊密，為Cl-的富集創造了條件，在換熱管與管板間的微小縫隙內其濃度會遠高于所測水中的平均濃度。這是因為，Cl-擴散系數受流體流動影響較大，在微小的縫隙內流體流速很小， Cl-有效擴散系數接近 0，此時，Cl-將在此沉積。S元素在蒸汽中如果以 H2S的形式存在，對應力腐蝕開裂會起到促進作用。同時，設備的工作溫度正好處于應力腐蝕的敏感溫度范圍內，Cl-濃度較小時也可能會發生應力腐蝕。

4）管束內壁黑色附著物中的 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時，也會引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕，應控制水煤氣中的S元素含量，當裂紋擴展到內壁時，管內介質中的硫化物會加速腐蝕速度。

5）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，廢鍋E2001A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的時候就出現了應力腐蝕，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

（1）對于新設備制造，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含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、廢鍋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。

（2）該設備在進行修復或制造下一臺設備時，管子與管板連接處采用液壓脹，適當增加脹接力，可以有效地避免過脹和欠脹，保證貼脹質量，消除間隙。

（3）耐壓試驗時所用的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。

（4）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，從而避免出現干濕交替狀態。

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