废热锅炉换热管开裂的原因及改进

2018-09-13

新商务周刊 2018年14期

某厂发现设备管箱气体出口处出现锅炉给水，壳程蒸汽出口中有少量H2及CO2，怀疑U型管发生泄漏，遂停车对换热管逐根进行打压的方式检漏，发现泄漏点上腐蚀结垢严重，对腐蚀点进行综合失效分析，得出泄漏是CI-引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀。

1 设备基本参数及运行情况

E402废热锅炉是一台结构型式为DKU釜式重沸器的换热设备，壳程设计压力3.85Mpa，设计温度270℃；管程设计压力9.0Mpa，设计温度430℃。壳程介质高温锅炉给水（脱氧水）中SiO2＜ 0.1mg/L，CI-≈3mg/L，PH=8.8～9.3，电导＜30υs/cm；管程介质变换气成为H2为53.44%，CO2为41.47%，以及其他微量N2、CO、C H4和H2SO。废热锅炉壳程主要材质为Q345R，换热管采用0Cr18 Ni10Ti管材，管箱采用日本SA387Gr.11CL2，内壁堆焊3mm厚00 Cr19Ni10，管板采用日本SA336Gr.11CL3，管程侧表面堆焊3mm厚00Cr19Ni10，以抗高温氢腐蚀。为了分析换热管裂管原因，首先对锅炉给水中CI-浓度进行检测。根据日监测记录发现，水中CI-浓度都控制在3mg/L左右，水质较差，出现超标现象。

2 失效状况分析

2.1 裂纹分析

裂管主要集中在靠近管板处，如图1所示位置。为了分析裂纹产生原因，对泄漏部位进行取样观察，通过肉眼观测，发现管子外表面有腐蚀点及附于其上的凸起状腐蚀沉淀物，形状不规则，微微泛黄。将沉积物打磨掉以下，发现腐蚀物下面有凹坑及裂纹分布，但尚不能以此判断裂纹成因及开裂性质。

图1 裂管位置

为了分析缝隙内腐蚀产物成分，对裂纹区域进行扫描能谱分析，检测发现腐蚀产物主要成为Cr，微量非金属元素为C1、O和S。分析中能检测到腐蚀产物中含有C1，虽然含量较低，但也足以说明C 1-诱发不锈钢应力腐蚀的可能。

对其中一个腐蚀点进行打磨，发现腐蚀物下有凹坑，并且凹坑附近存在裂纹，如图2（a）所示。在金相显微镜下观测其金相组织，如图2（b）所示，可以看到裂纹有多个裂纹源，并且具有树枝状的扩展形貌，裂纹为穿晶开裂。

图2 裂纹形貌

将一个短线状裂纹尖端处沿垂直于轴线的方向剖开，观测裂纹在横截面上的扩展形貌，如图3所示，裂纹起源于管子外表面，且垂直于管壁向内呈树枝状扩展，有主干，有分支，裂纹为穿晶扩展，具有不锈钢发生应力腐蚀的典型形态，更增加了C1-诱发不锈钢应力腐蚀的可能性。

图3 裂纹扩展

2.2 水中CI-浓度的影响

对于Cr-Ni型奥氏体不锈钢，产生应力腐蚀的极限C1-浓度是很低的，只要有C1-存在，就会发生应力腐蚀，且发生应力腐蚀开裂的临界C1-浓度随温度的上升而减小，尤其在高温下，当仅含1到几mg/L时，即能导致普通Cr-Ni型不锈钢的应力义乌破裂。该废热锅炉给水中的C1-浓度是3mg/L左右，符合应力腐蚀的条件。尤其是废热锅炉具有氯离子浓缩的条件（反复蒸干，湿润），进一步导致C1-浓度偏高。管板与管子胀接的缝隙处，容易发生缝隙腐蚀而产生凹坑，这些凹坑会成为应力腐蚀开裂的起点，这也是裂管集中在管板附近的原因之一。

2.3 管壁应力

设备正常工作状态下，管壁内气体压力Pi=9.0Mpa，管外压Po=3.85Mpa，换热管规格为φ25×2，则RO=12.5mm，R1=10.5mm，在不考虑热应力的情况下，周向应力为16.99MPa、径向应力为3.85M Pa、轴向应力为34.65Mpa。

虽然外壁应力水平较低，但是仍具有应力腐蚀的可能性。因为在高温水环境中，奥氏体不锈钢发生应力腐蚀所需要的应力值很低，一种说法为3.5Mpa的应力下即可发生应力腐蚀，且管板与管子采用强度焊加贴胀的连接方式，不锈钢管束不做焊后热处理，此处的焊接应力和胀接拉应力很大，实际管壁应力值比理论计算值还要大，因此可认为换热管的应力状态具备应力腐蚀开裂的条件。