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        堿回收鍋爐底部水冷壁復(fù)合管裂紋損壞情況分析

        2014-08-10 02:50:40覃安業(yè)
        中國造紙 2014年10期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合管水冷壁熔融

        覃安業(yè)

        (廣西南寧鳳凰紙業(yè)有限公司,廣西南寧,530031)

        現(xiàn)代硫酸鹽法制漿廠使用的堿回收鍋爐屬于高溫高壓設(shè)備,最大的危險(xiǎn)為水與爐膛中的熔融物接觸引起爆炸,爐膛水冷壁管出現(xiàn)損壞、爆裂則是此危險(xiǎn)的主要根源之一。堿回收鍋爐熔爐區(qū)域水冷壁管多采用304 L不銹鋼面層的復(fù)合鋼管設(shè)計(jì),因不銹鋼面層在長期超高溫狀態(tài)下與內(nèi)層20G碳鋼材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)存在較大差異,致使不銹鋼面層產(chǎn)生裂紋、剝離,有可能導(dǎo)致內(nèi)層20G碳鋼被腐蝕、變薄,耐壓強(qiáng)度下降,進(jìn)而引發(fā)水冷壁管爆裂,爐水進(jìn)入爐膛與熔融物接觸產(chǎn)生爆炸。從運(yùn)行安全及成本的角度考慮,避免裂紋的產(chǎn)生及裂紋產(chǎn)生后的修復(fù)是堿回收鍋爐必不可少的維護(hù)維修項(xiàng)目之一,掌握好水冷壁管的選材、運(yùn)行負(fù)荷及操作控制等因素可有效抑制裂紋產(chǎn)生;裂紋產(chǎn)生后,可修補(bǔ)面層或采用與20G材質(zhì)熱膨脹系數(shù)更接近的復(fù)合管[1-3]。

        1 堿回收鍋爐底部水冷壁情況

        圖1所示為堿回收鍋爐爐膛和爐底的示意圖。

        1.1 堿回收鍋爐底部構(gòu)成

        現(xiàn)代堿回收鍋爐多為傾斜型雙斜面爐底設(shè)計(jì),爐底水冷壁由前后左右墻等4個(gè)部分組成,前后墻水冷壁管垂直到爐底后向爐膛中部轉(zhuǎn)彎過渡,一直傾斜延伸到爐底中心處的聯(lián)箱處,組成爐底平面,左右墻則作為爐底平面的側(cè)立面與前后墻形成對(duì)爐底的包圍。

        1.2 水冷壁管材料

        為防止熔融物腐蝕和沖刷,同時(shí)兼顧材料成本,大中型堿回收鍋爐熔爐水冷壁管多采用面層為SS304L的復(fù)合鋼管設(shè)計(jì),即除爐底平面中間部分采用20G碳鋼管以外,前后左右墻自三次風(fēng)口以上1 m起往下的其余部分均采用復(fù)合鋼管。目前較多采用SS304L復(fù)合鋼管,即內(nèi)層20G碳鋼,外層304L不銹鋼,水冷壁管出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象大多發(fā)生在此種材質(zhì)。

        1.3 堿回收鍋爐各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

        本文介紹的堿回收鍋爐自1999年開始投入運(yùn)行,于2007年進(jìn)行了技改,技改前后各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比見表1。

        圖1 堿回收鍋爐爐膛及爐底示意圖

        表1 堿回收鍋爐技改前后參數(shù)對(duì)比

        圖2 復(fù)合管不銹鋼層裂紋出現(xiàn)初期情況

        2 復(fù)合管不銹鋼層裂紋情況

        為安全起見,工廠每年大修時(shí)均須對(duì)堿回收鍋爐水冷壁進(jìn)行檢查。但堿回收鍋爐經(jīng)過多年的運(yùn)行、生產(chǎn)負(fù)荷的逐漸提高及操作控制不當(dāng)?shù)仍颍瑫?huì)造成復(fù)合管表面不銹鋼層開始出現(xiàn)裂紋并逐年增多,嚴(yán)重區(qū)域會(huì)出現(xiàn)表面不銹鋼層剝離、內(nèi)層被腐蝕出點(diǎn)蝕坑等現(xiàn)象。

        2.1 裂紋初期

        復(fù)合管表面不銹鋼層開始出現(xiàn)裂紋時(shí),裂紋分布在爐底面四周的某些局部區(qū)域,裂紋為管環(huán)向分布,呈細(xì)且短、平行或龜裂的形態(tài),相對(duì)集中在每根管相同位置處的10 cm×10 cm范圍內(nèi)。復(fù)合管不銹鋼層裂紋出現(xiàn)初期情況如圖2所示。

        2.2 裂紋中期

        隨著高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的不斷延長,裂紋情況逐漸惡化,復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)龜裂情況,且損傷程度逐年加重,其中屬溜槽口旁邊水冷壁管和爐底管接爐底聯(lián)箱前的彎頭處最嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

        (1)復(fù)合管不銹鋼層龜裂數(shù)量大大增加,部分龜裂嚴(yán)重區(qū)域如爐底水冷壁左右兩邊各5根復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)塊狀剝離 (見圖3),個(gè)別地方如爐底水冷壁左邊5根管接到爐底聯(lián)箱前墻側(cè)彎頭處還出現(xiàn)點(diǎn)坑 (見圖4)。磁粉探傷后發(fā)現(xiàn),復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂損壞 (見圖5)。

        (2)受熔融物嚴(yán)重腐蝕、沖刷,溜槽口周邊水冷壁管的龜裂損傷最嚴(yán)重 (見圖6)。溜槽口水冷壁管與旁邊水冷壁管磁粉探傷后的比較見圖7。

        圖3 復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)塊狀剝離

        圖4 復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)點(diǎn)坑

        圖5 磁粉探傷后的溜槽口旁水冷壁管嚴(yán)重龜裂損壞

        圖6 溜槽口旁水冷壁管

        圖7 溜槽口旁水冷壁管與旁邊水冷壁管磁粉探傷后的比較

        圖8 前墻一次風(fēng)口旁水冷壁管

        圖9 爐底水冷壁管與鰭片之間的裂紋

        圖10 溜槽口水冷壁管打磨不銹鋼層分析

        (3)前墻一次風(fēng)嘴不受熔融物浸泡,但由于一次風(fēng)吹蝕嚴(yán)重,旁邊水冷壁管也出現(xiàn)較集中的龜裂區(qū),如圖8所示。

        (4)復(fù)合管之間鰭片有橫向裂紋,復(fù)合管與鰭片相連的根部有較長的連續(xù)龜裂,部分甚至已經(jīng)剝離(見圖9)。此種裂紋不排除復(fù)合管與鰭片制造焊接時(shí)存在缺陷或鰭片材質(zhì)不良等因素。橫向裂紋擴(kuò)展?jié)B透后也可能會(huì)引起水冷壁管產(chǎn)生橫向裂紋或拉裂水冷壁管。

        2.3 復(fù)合管內(nèi)層情況

        經(jīng)專業(yè)檢測發(fā)現(xiàn),裂紋僅停留在不銹鋼層,內(nèi)層20G管仍維持原有厚度,如圖10所示。

        3 復(fù)合管產(chǎn)生龜裂的原因分析

        3.1 爐膛底部情況

        復(fù)合管的內(nèi)層材質(zhì)為20G,主要起承壓作用;外層304L不銹鋼層則主要防止堿性硫化熔融物腐蝕內(nèi)層20G管,以免內(nèi)層被腐蝕、變薄,從而降低管子的耐壓強(qiáng)度。

        正常生產(chǎn)時(shí),爐膛底部堆積著由大量熔融物和未燃燒的黑液碳粒組成的墊層,墊層呈中間高四周低的山峰形狀,黑液掉落到墊層后,變成碳粒,燃燒成為熔融物,并從爐底四周向后墻流動(dòng),經(jīng)溜槽進(jìn)入溶解槽。

        爐底四周及溜槽口的墊層較薄,墊層在離水冷壁管較近的區(qū)域燃燒,使得此區(qū)域的水冷壁管承受熔融物沖刷、腐蝕及熱負(fù)荷作用,該區(qū)域水冷壁管表面溫度比爐底中部高得多;此外熔融物具有強(qiáng)堿性,且含有硫離子,在高溫狀態(tài)下特別容易對(duì)碳鋼管產(chǎn)生腐蝕。而爐底中間墊層較高,與水冷壁管接觸的墊層燃燒反應(yīng)相對(duì)較溫和,甚至?xí)幸粚幽痰娜畚飳?duì)水冷壁管起保護(hù)作用。

        3.2 爐膛截面熱負(fù)荷

        3.2.1 設(shè)計(jì)情況

        堿回收鍋爐的設(shè)計(jì)從爐膛開始,爐膛規(guī)格尺寸的采用取決于爐膛截面熱負(fù)荷,該參數(shù)是黑液在爐膛中燃燒產(chǎn)生的總熱量與爐膛截面積之比。堿回收鍋爐爐膛截面熱負(fù)荷的典型設(shè)計(jì)數(shù)值為2.48~2.79 MW/m2,如果此數(shù)值過低,說明爐膛截面積大,單位面積所承受的熱負(fù)荷也低,同量的黑液燃燒,熔爐區(qū)溫度低,還原率無法提高;如果數(shù)值過高,說明爐膛截面積小,單位面積所承受的熱負(fù)荷也高,同量的黑液燃燒,熔爐區(qū)溫度高,致使水冷壁管過熱,加速腐蝕損壞。

        3.2.2 實(shí)際生產(chǎn)情況

        圖11為2004—2012年堿回收鍋爐爐膛截面熱負(fù)荷均值圖。由圖11可知,2005年提高產(chǎn)量后,爐膛截面熱負(fù)荷大幅提高。2005—2012年,爐膛截面熱負(fù)荷長期處于3.36~3.47 MW/m2之間,超出典型設(shè)計(jì)數(shù)值上限值 (2.79 MW/m2)約20%~24%。

        圖11 2004—2012年?duì)t膛截面熱負(fù)荷均值圖

        3.2.3 裂紋與爐膛截面熱負(fù)荷的關(guān)系

        爐膛截面熱負(fù)荷處于典型設(shè)計(jì)數(shù)值范圍時(shí),爐底四周水冷壁管不銹鋼層并沒有出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。但從2005年起,由于爐膛運(yùn)行負(fù)荷大幅提高,爐膛截面熱負(fù)荷大幅度上升,2006年開始出現(xiàn)裂紋,并在之后多年維持高值運(yùn)行后,裂紋情況愈加嚴(yán)重。

        3.2.4 爐膛截面熱負(fù)荷過高的原因

        3.2.4.1 運(yùn)行負(fù)荷即燃燒黑液量過大

        燃燒黑液量過大是爐膛截面熱負(fù)荷高的最根本原因,從實(shí)際運(yùn)行情況分析,在設(shè)計(jì)負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行多年并未發(fā)現(xiàn)裂紋。但在技改后,堿回收鍋爐運(yùn)行負(fù)荷提高,受現(xiàn)場位置限制,爐膛面積未能與設(shè)計(jì)負(fù)荷呈正比例放大,導(dǎo)致爐膛截面熱負(fù)荷大幅提高。

        3.2.4.2 高負(fù)荷生產(chǎn)運(yùn)行過程的操作控制

        在相同負(fù)荷條件下,生產(chǎn)操作控制對(duì)局部熱負(fù)荷也有比較明顯的影響。如黑液噴射顆粒較小、噴射分布不均勻;未及時(shí)清理風(fēng)嘴、溜槽,使得熔融物未能順暢地排出;給風(fēng)過于猛烈等均可能造成局部過度燃燒,從而造成局部熱負(fù)荷過高。

        3.3 裂紋根本原因

        水冷壁管長期處于超高溫狀態(tài)下時(shí),不銹鋼層與20G兩種材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不一致是產(chǎn)生裂紋的根本原因。

        20G材質(zhì)在爐膛內(nèi)易被堿性硫化熔融物腐蝕,而304L不銹鋼具有耐腐蝕、性價(jià)比高、與20G材質(zhì)熱膨脹系數(shù)較為接近等特性,使得表層為304L不銹鋼材質(zhì)的復(fù)合管在現(xiàn)代堿回收鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用。

        實(shí)際應(yīng)用過程中,復(fù)合管確實(shí)起到了應(yīng)有的作用,但能否長期安全使用,仍取決于爐膛截面熱負(fù)荷數(shù)值大小。當(dāng)數(shù)值處于典型設(shè)計(jì)范圍時(shí),受熱負(fù)荷相對(duì)較低,仍處于安全范圍,兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)基本一致,不會(huì)出現(xiàn)裂紋;當(dāng)數(shù)值大大超出典型設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí),兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)逐漸體現(xiàn)出差別,熱負(fù)荷越高,差別越大,越容易產(chǎn)生裂紋。

        4 爐底水冷壁復(fù)合管龜裂的危害

        復(fù)合管龜裂甚至剝離后,無法對(duì)內(nèi)層再起到保護(hù)作用,使得高溫熔融物對(duì)碳鋼管產(chǎn)生腐蝕,水冷壁管耐壓強(qiáng)度降低,水泄漏進(jìn)入爐膛,引起爆炸。

        裂紋有可能會(huì)滲透、延伸,使得內(nèi)管也產(chǎn)生裂紋,同樣降低管子的耐壓強(qiáng)度。

        堿回收鍋爐運(yùn)行時(shí)最危險(xiǎn)的事情就是有水進(jìn)入爐膛內(nèi),與熔融物接觸后,產(chǎn)生水-熔融物爆炸,一旦水冷壁管漏水,后果不堪設(shè)想。本文介紹的堿回收鍋爐曾經(jīng)發(fā)生過一次爆炸事件,當(dāng)時(shí)堿回收鍋爐已停爐,且墊層已經(jīng)冷卻了8 h,盡管如此,過熱器少量的水泄漏進(jìn)入爐膛后,仍引起爐膛底部的墊層發(fā)生爆炸,將爐膛東南角炸裂,爐膛前墻變形凸起。如果滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)爐底管泄漏,則后果不堪設(shè)想。

        5 修復(fù)措施

        5.1 簡單修復(fù)可將復(fù)合管損壞處打磨后,采用氬弧焊恢復(fù)不銹鋼面層,但因面層與里層材質(zhì)膨脹系數(shù)差異較大的根本原因未能得到解決,高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行仍會(huì)不斷地產(chǎn)生龜裂。安全可靠的辦法就是更換面層與里層材質(zhì)膨脹系數(shù)差異較小的復(fù)合水冷壁管,同時(shí)控制生產(chǎn)負(fù)荷。

        5.2 鑒于堿回收鍋爐爐膛面積已經(jīng)不能更改,如果要保持目前的燃燒負(fù)荷,爐膛截面熱負(fù)荷肯定會(huì)居高不下,如果更換后仍使用304L不銹鋼材質(zhì)的復(fù)合管,必將仍會(huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象,因此,必須使用新型材料。

        Sanicro 38與20G兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相對(duì)更接近,據(jù)相關(guān)資料介紹,目前使用復(fù)合材料Sanicro 38堿回收鍋爐,即使?fàn)t膛截面熱負(fù)荷達(dá)到3.5 MW/m2,也未出現(xiàn)過龜裂現(xiàn)象。

        將一次風(fēng)嘴以下的304L復(fù)合鋼管水冷壁管全部更換為復(fù)合材料Sanicro 38水冷壁管,更換區(qū)域?yàn)?①爐底水冷壁左右兩邊各5根復(fù)合管;②后墻水冷壁從一次風(fēng)嘴下部至爐底管與碳鋼管焊接處的復(fù)合管,包括3個(gè)溜槽口。

        6 結(jié)語

        堿回收鍋爐爐底水冷壁管出現(xiàn)不銹鋼層龜裂、剝離的現(xiàn)象對(duì)堿回收鍋爐的安全運(yùn)行造成非常大的威脅,其原因涉及到設(shè)計(jì)、實(shí)際產(chǎn)量、操作控制等各種因素,任何因素的缺失都有可能造成水冷壁管損壞的危險(xiǎn),一旦形成裂紋損壞,企業(yè)將面臨更換水冷壁管的高額成本或不更換的安全風(fēng)險(xiǎn)。

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        [2] NIU Shuai.Analysis and Countermeasure of Measurement Enor of Drum Water Level of High-pressure Alkali Recovery Boiler[J].China Pulp & Paper,2013,32(9):40.牛 帥.高壓堿回收鍋爐汽包水位測量的誤差分析及對(duì)策[J].中國造紙,2013,32(9):40.

        [3] 潘錫五.堿法制漿化學(xué)藥品的回收[M].3版,北京:中國輕工業(yè)出版社,1998. CPP

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