煤气废热锅炉失效原因及预防措施

张建民

1.故障描述

两台水煤气废热锅炉，使用BKU（釜式U形管换热器），规格Φ2m/2.6m，L≈13.6m，换热面积1957m2。设备管程介质是H2、CO、CO2、H2S、NH3、H2O等组成的水煤气，壳程是锅炉补水（深度脱盐水），并在内产生饱和蒸汽后排出。设备使用两年后，发现出口蒸汽中CO含量明显增高，判断管程处出现泄漏。停车后水压检漏，发现管板堆焊层有11处漏点，后经堵漏处理，漏点反而增加到20多处，第二次水压检漏时又出现新的漏点。同时在管内壁发现黑色附着物，且泄漏水珠出现在管内壁，基本可以确定换热管裂纹。经渗透检测和打磨，裂纹越来越清晰，裂纹宽度由管内向外逐渐增加。

2.原因分析

在高温水环境中，奥氏体不锈钢在很低的应力下就可能发生应力腐蚀开裂。通过有限元分析发现，换热管外壁的胀接残余应力在 20～30MPa，除了胀接应力之外，还存在焊接应力、温差应力及工作应力，因换热管轴向拉应力最大，所以裂纹易沿轴向扩展，即裂纹垂直于拉应力方向。

对换热管材料进行光谱分析，确认为0Cr18Ni10Ti。通过电子探针和显微镜对裂纹观察，可看出裂纹源存在于换热管的外表面，换热管的金相组织为单相奥氏体晶粒，属于正常的0Cr18Ni10Ti固溶处理后的组织形貌。但在微观组织中发现TiNi脆性夹杂物以及其他一些大颗粒夹杂物，当腐蚀裂纹遇到这些夹杂物时会加速腐蚀。

对设备内部检查，发现换热管和管板之间存在缝隙，在缝隙内富集Cl-，证明壳程介质中含有 Cl-，从而引起换热管应力腐蚀开裂。引起应力腐蚀的 Cl-主要来自锅炉水，也不排除来自耐压试验用水。虽然介质中 Cl-的浓度并不高，但是换热管与管板之间的贴合不紧密，为 Cl-的富集创造了条件。

管束内壁黑色附着物中的硫（S）元素含量较高，来源于原料煤，Fe和 Ni是水煤气介质腐蚀设备形成的。当 S元素以湿H2S存在时，会引起奥氏体不锈钢应力腐蚀。所以应控制水煤气中的 S元素含量。

另外，工艺不稳定导致操作负荷频繁变化，从而降低设备的使用寿命。

应力腐蚀速度也与设备在腐蚀环境中所经历的过程有关。如果在腐蚀性环境中呆一段时间，然后再干燥一段时间，再重新处于腐蚀性环境中时，其应力腐蚀速度更快。调查发现，废热锅炉在 2011年下半年曾停用一段时间，2012年重新启用。如果设备在第一次使用时就出现了应力腐蚀，那么后来的停车对应力腐蚀裂纹的扩展起到了加速作用。

3.预防措施

对于新设备，在制造方面建议将现用的 0Cr18Ni10Ti更换为奥氏体—铁素体双相不锈钢。该类型不锈钢比18-8型不锈钢有更强的耐少量氯化物应力腐蚀的能力。加强制造质量过程监控，加强保管，特别是管子搬运、锅炉制造等过程中，避免造成人为表面缺陷，这些缺陷在一定的腐蚀环境中可能会形成点蚀，进一步引起应力腐蚀。

设备的管与管板连接处采用液压胀接，制造时应适当增加胀接力，应避免过胀和欠胀，保证贴胀质量，消除间隙。

耐压试验时，所用水和生产时的锅炉水，应严格控制Cl-和S的含量，定期检测废热锅炉的进水和排污水中Cl-和S的含量。

尽量减少停车，装置停车时要排净锅炉水，保证设备处在干燥状态，并用氮气微正压保护，避免出现干湿交替状态。