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(tǒng)的重要組成部分，生產(chǎn)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(jīng)一次除塵過濾后進(jìn)入余熱鍋爐，經(jīng)鍋爐系統(tǒng)降溫后進(jìn)入二次除塵系統(tǒng)除去細(xì)小顆粒，再由循環(huán)風(fēng)機(jī)鼓入干熄爐冷卻紅焦。鍋爐在N2冷卻過程中吸收熱量，產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電[1]。爐管內(nèi)走水、汽，爐管間走循環(huán)氣體。當(dāng)爐管破損后，漏出的水或汽隨循環(huán)氣體進(jìn)入干熄爐，與紅焦發(fā)生水煤氣反應(yīng)，造成循環(huán)氣體中H2和CO 含量急劇上升，若不采取相應(yīng)的措施，將會(huì)發(fā)生爆炸事故，嚴(yán)重影響干熄焦的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖1 干熄焦系統(tǒng)工藝流程

青島特鋼焦化廠干熄焦余熱鍋爐型號(hào)為Q290/950-114-10.3/540，2016 年投入使用，2021 年發(fā)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(fā)生爆管事故，尤其在一次過熱器段鍋爐管的損傷較為嚴(yán)重，本文重點(diǎn)對(duì)一次過熱器的損壞原因進(jìn)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(shè)備本身和生產(chǎn)操作不當(dāng)?shù)仍?，也有外部條件的原因，主要包括3 個(gè)方面：①管材本身材料問題或焊接工藝問題引發(fā)；②管材受熱不均造成的超溫爆管（包括短期超溫和長(zhǎng)期超溫兩種）；③管材內(nèi)部或外部結(jié)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(cè)水冷壁約1.5 m 處，根據(jù)循環(huán)氣流走向分析，損壞的位置為氣流流速較快的區(qū)域，整根管子已經(jīng)破裂、彎曲扭結(jié)（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(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、掃描電鏡分析，分析部位如圖3 所示，對(duì)管道內(nèi)外表面進(jìn)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(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見表1。

表1 一次過熱器爐管化學(xué)成分 wt%

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

（2）對(duì)樣品進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2，硬度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(duì)爆裂部位和正常部位進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)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(nèi)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(jí)；爆裂位置外表面無(wú)明顯氧化皮和脫碳層，內(nèi)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(jí)。正常位置帶狀組織如圖5 所示，內(nèi)表面級(jí)別為1.0 級(jí)，外表面為0 級(jí)。

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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)物分析

采用SEM+EDS 對(duì)腐蝕產(chǎn)物形貌觀察及成分分析，內(nèi)表面為金屬色，無(wú)腐蝕，外表面有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物部分已成塊脫落（圖6）。

圖6 爆裂位置腐蝕產(chǎn)物形貌

爆裂位置內(nèi)、外表面及正常位置外表面的腐蝕產(chǎn)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(nèi)、外表面及正常位置外表面的腐蝕產(chǎn)物成分

根據(jù)Fe 與S 化學(xué)特性，在600 ℃高溫條件下，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色固體FeS，反應(yīng)式如下：

根據(jù)鍋爐運(yùn)行工況，過熱管外部介質(zhì)為循環(huán)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(fā)生氧化還原反應(yīng)，爐管表現(xiàn)為S 腐蝕，由于不斷的沖刷腐蝕，導(dǎo)致管道外壁減薄。

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

圖7 鍋爐管橫截面

1.4 鍋爐管外壁脫落產(chǎn)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?？梢钥闯?，脫落物外表面的硫含量明顯高于內(nèi)表面?？梢酝茢嗤獠垦h(huán)氣體中的硫是導(dǎo)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(nèi)壁光滑，無(wú)雜質(zhì)，直徑無(wú)增大現(xiàn)象，排除內(nèi)壁腐蝕或結(jié)垢問題，故不對(duì)水質(zhì)進(jìn)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(nèi)循環(huán)氣體的作用下，鍋爐管外壁產(chǎn)生硫腐蝕，在氣流的沖刷作用下腐蝕層逐步加深，導(dǎo)致爐管外壁減薄，最終在變薄的位置破裂，產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。

2 處理措施

2.1 臨時(shí)處理措施

由于一次過熱管大面積出現(xiàn)減薄現(xiàn)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(guān)閉后干熄爐工況波動(dòng)較大等多重因素的影響下，為保證安全，需要在最短的時(shí)間內(nèi)完成搶修。當(dāng)下全部更換不具備條件，故在保證強(qiáng)度安全的條件下，對(duì)損壞較嚴(yán)重的管子進(jìn)行更換，通過對(duì)管子進(jìn)行強(qiáng)度校核方式，理論計(jì)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(shí)則進(jìn)行更換，高于該值時(shí)暫不處理，計(jì)算過程如下：

根據(jù)GB 50316—2008《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》管子的理論厚度計(jì)算：

考慮臨時(shí)監(jiān)護(hù)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(jì)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(yīng)力，在介質(zhì)溫度470 ℃、壁溫520 ℃時(shí)，取值為98 MPa；φh為焊縫減弱系數(shù)，無(wú)縫鋼管取值為1；m 為鋼管厚度負(fù)偏差與取用壁厚百分比，按GB 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)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(shè)計(jì)計(jì)算鋼管厚度負(fù)偏差附加厚度，由C1計(jì)算可得。

經(jīng)計(jì)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(cè)點(diǎn)，采用拋光機(jī)打磨表面，露出金屬光澤后，用超聲測(cè)厚儀測(cè)量厚度，厚度低于2.5 mm 的管子全部進(jìn)行緊急更換，同時(shí)做好各項(xiàng)監(jiān)護(hù)運(yùn)行的措施，管子更換后余熱鍋爐正常運(yùn)行，3 個(gè)月內(nèi)未發(fā)生異常情況。

2.2 徹底處理措施

為徹底解決該隱患，須對(duì)一次、二次過熱器進(jìn)行整體更換，根據(jù)分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)情況，結(jié)合腐蝕機(jī)理，一次過熱器的材料由12Cr1MoVG 改為TP321h，同時(shí)氣流沖刷面增設(shè)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(yùn)行效果良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過檢測(cè)分析得出：干熄焦余熱一次過熱器（材料12Cr1MoVG），在含硫高溫循環(huán)惰性氣體沖刷作用下易發(fā)生硫化腐蝕，嚴(yán)重影響過熱器的使用壽命；一次除塵不具備脫硫條件時(shí)，需更換過熱器材料或縮短使用周期，杜絕爆管事故的發(fā)生。本文通過現(xiàn)場(chǎng)工況分析、備件材料分析、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等，找出故障的根本原因，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)提供借鑒。