魏 冬

（中国石化股份有限公司天津分公司，天津 3 00271）

一、概况

某厂乙烯装置裂解炉配套国产四台椭圆封头双套管式废热锅炉（简称TLE），其作用是降低裂解气温度以及回收余热，并产生压力为12.4MPa、温度326℃的高压蒸汽。TLE管程流动介质为高温裂解气，壳程是锅炉水和受热产生的高压蒸汽。主要技术参数见表1。

表1 TLE主要参数表

经过几年运行后对这四台TLE进行内外部检验，发现A、B、C三台设备裂解气入口侧管板都有不同程度的球化现象，其中C台管板严重球化，管板有3处鼓包，最薄处厚度2.9mm；A台管板完全球化，管板有1处鼓包，最薄处厚度7.3mm。根据检验结果，A台修复降级使用，C台报废。

二、检验

1.外观检验

外观检验发现TLE下管箱集束管外观呈乌灰色，有高温氧化特征，其中有三条集束管上出现了鼓包，鼓包部位见图1。最大鼓包处鼓出12mm左右，局部放大示意图见图2。

对三处鼓包部位和无鼓包部位分别进行剖断检查，发现鼓包部位水侧内壁都附着结垢物，结垢物由松散的碳黑色粉末和厚度约有5mm的层状硬块组成；在对无鼓包部位集束管剖断检查后发现，管壁内清洁，有一层氧化膜。

2.超声波测厚检测

通过超声波检测发现，集束管所有未发生鼓包的部位壁厚均正常，而鼓包区域则都显示出壁厚减薄，且鼓包越大，减薄现象越严重。

3.换热管化学成分分析

对废热锅炉集束管所用15Mo3钢管的化学成分进行了分析，并与DIN标准进行了对比，数据见表2。

表2 TLE集束管化学成分分析数据%

通过将15Mo3钢的化学成分分析数据与DIN标准值对比可以知道，TLE用钢符合15Mo3钢的制造标准要求。

4.硬度检测和复膜金相检测

对所有鼓包部位和随机抽取未发生鼓包部位进行硬度测试，检测结果为：鼓包处测定值为HB88～110，未鼓包部位测定值为HB120～140。通过硬度检测结果可知鼓包部位的材质出现劣化，强度下降。

在对集束管鼓包顶部、鼓包截面根部部位和未发生鼓包部位分别进行了复膜金相分析。

15Mo3的正常金相组织为铁素体＋珠光体的形态，渗碳体组织分布在铁素体基体中。鼓包顶部部位金相组织为粒状珠光体组织，属于严重球化。鼓包部位截面根部区域的金相组织渗碳体球化状况要稍微好一些，未发生鼓包部位的复膜金相组织较为正常。

5.垢样分析

在去除松散的的黑色粉末后，对层状硬块进行了烧灼减量、酸不溶物和氧化钙、氧化镁、氧化锌等氧化物的测定。检测数据见表3。

从分析结果可知，鼓包部位层状硬垢62%以上是Fe2O3，即大部分为腐蚀产物。

6.锅炉水质分析（见表4）

表3 TLE集束管内部垢样分析数据 %

三、失效原因分析

（1）从上述检验情况看，TLE内外管及管板材质采用的是使用条件为≤530℃的15Mo3过热器管，能够满足正常的工况条件；通过管材的化学成分分析，各项指标符合标准，可以认定TLE的材质没有问题。检查历史工艺操作和锅炉水质记录，各项运行参数均在设计范围内，可以排除因工艺操作和水质原因而引起废热锅炉集束管损坏。

（2） 鼓包部位有硬垢，说明锅炉水内存在不溶固体颗粒。虽然锅炉水供水指标正常，但由于锅炉水在运行中不断受热气化，锅炉水内微量元素会不断浓缩，包括氯离子在内的微量元素会对锅炉换热管发生腐蚀。排污间隔时间为1个月左右，间隔时间较长，就增加了锅炉水内微量元素对换热管腐蚀的几率。TLE下管箱集束管为高温裂解气入口，局部下凹使局部流速降低，造成氯离子局部含量增加，所以易产生氯离子腐蚀。

（3） 锅炉壳程的水蒸气介质中的微量固体颗粒（包括腐蚀产物）向下沉积，下管箱上表面不够平滑，集束管局部存在下凹，点蚀造成下凹处聚集更多的腐蚀物，造成固体颗粒流动不好，在此处形成局部结垢区。

局部结垢区出现后，在疏松多孔的腐蚀产物覆盖下的金属表面，将会出现垢下腐蚀。随着垢层的增加，下管箱集束管的热传导率将进一步降低，金属温度逐渐升高，从而出现局部高温点。该区域出现垢下腐蚀后，腐蚀产物将进一步增加垢层厚度，如此循环作用，使金属温度进一步升高，使15Mo3集束管材质出现了异常珠光体球化，甚至严重球化。材质的损伤又进一步降低了材料的机械强度性能指标，腐蚀的加剧又导致了局部减薄，二者相互作用，达到承载能力不足以承受约为12.4MPa的内压时，该部位就会出现鼓包。

（4） 15Mo3材质最高允许使用温度为530℃，从工艺上满足要求，但在有结垢倾向的条件下，材质的安全裕度不足，抗异常升温能力脆弱。最近的研究结果表明，15Mo3钢及其相类似的钼钢组织稳定性不够好，如长期在500～550℃温度范围内使用，有珠光体球化和石墨化倾向，尤其在焊接接头区域容易产生球化，近年来已逐步被低碳铬钼钢所取代。

综上所述，废热锅炉下管箱集束管出现鼓包现象的外因可以归结为：锅炉水浓缩存在氯离子等微量元素对金属表面腐蚀的作用；锅炉水中存在腐蚀产物等杂物颗粒；下管箱集束管局部存在下凹，壳程内的固体颗粒在该区域沉积，长期积累形成局部区域结垢区，局部结垢进一步造成腐蚀加剧和局部异常升温。材质损伤的内因是15Mo3材质最高允许使用温度低，抗异常温升能力脆弱。

四、改进措施

（1）增加锅炉水排污次数，控制废热锅炉壳程锅炉水微量元素含量，降低微量元素对金属表面的腐蚀；加强对下管箱集束管的清洗，及时清垢，以降低垢下腐蚀的几率。

（2）改进管箱集束管表面质量，或者改进管箱套管结构，使沉积颗粒容易被冲走，避免出现局部结垢区。

（3）在废热锅炉制造选材上应考虑提高材料的等级，可以采用12Cr1MoV，其使用条件为温度≤570℃的受热面管，能够提高抗异常温升的能力，且价格与15Mo3管材相差不大。

[1]姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册 [M].中国电力出版的社，2004.