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SA 178A余热锅炉换热器管失效分析

点击:1053 日期:[ 2014-04-26 22:14:24 ]
                                SA 178A余热锅炉换热器管失效分析                                 刘智勇1,李晓刚1,2,张新3,王博4 1.北京科技大学腐蚀与防护中心,北京市腐蚀、磨蚀与表面技术开放实验室,北京100083;2.中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室,沈阳110016;3.内蒙古科技大学材料学院,包头014010;4.中国石化石家庄化纤有限责任公司,石家庄050032     摘要:通过化学成分分析、金相分析、宏观和微观腐蚀形貌观察、腐蚀产物分析以及相关的理论计算后认为,SA 178A低碳钢余热锅炉换热器管道爆裂的主要原因是硫酸盐低温热腐蚀引起的管壁外部严重减薄导致的,蠕变以及管内压力的综合作用加速了管道爆裂过程.     关键词:SA 178A;余热锅炉;炉管爆裂;低温热腐蚀     中图分类号:TG142  文献标识码:A  文章编号:1002 6495(2007)01 0061 05     研究表明,硫酸的露点腐蚀、积灰下腐蚀和硫酸盐热腐蚀等是导致余热锅炉换热管道失效的一些主要原因[1~4].本文以某厂一台余热锅炉的热交换管爆裂为典型事例,对锅炉管爆裂失效的普遍规律和特殊现象进行了深入的探讨,为预防同类事故的发生提供了理论与实践依据.     1生产工况与实验分析     1.1生产工况     该化纤厂的余热锅炉结构如图1所示,是一种直管管壳式热交换器.锅炉进气温度一般为400℃~650℃之间,间歇期温度为230℃左右.炉气主要成分和条件见表1.管程内冷却介质为软化冷却水,水压1 8MPa,出水口水温最高260℃.在投入使用2年~3年内,裸管高位区(图1)管道发生严重的管壁减薄,并且多次发生管道爆裂.     1.2 宏观观察     换热管道非减薄区外壁腐蚀产物为黄褐色锈层,锈层表面粗糙;腐蚀减薄区(爆裂区附近)的腐蚀产物为青黑色致密薄层,表面比较光滑,局部有蠕变突起,如图2所示.管道爆裂发生在严重减薄区,图3是爆裂处和背向裂口处的宏观形貌,爆裂边缘的管壁非常薄,最薄处厚度为0 15mm.对管道的内外直径做了测量,结果如表2所示,由这些数据判断,管道发生的是外壁减薄.     1 3.化学成分与金相分析     截取管上具有典型的腐蚀特征的部位,进行化学成分分析,结果如表3所示.由该表可见SA 178A管道失效部位的化学成分与ASME标准中的成分差别不大,基本符合该标准的要求.     非腐蚀区的管壁的金相组织如图4a所示.由该图可见,SA 178A管道的晶粒均匀,基本为铁素体晶粒,珠光体比例较低,分布在晶界上,基本呈点链状分布,部分离散分布在晶界上,该管道为正常的低碳钢组织,加工状态为拉拔退火组织.裂口附近的管壁夹杂和蠕变情况如图4b所示.由该图可见,失效的SA 178A管道用钢夹杂物较少;晶界处明显可见裂纹和孔洞,断口和减薄区管壁发生了蠕变[5].     1 4微观腐蚀形貌     图5是管道外表面典型腐蚀减薄部位的腐蚀形貌SEM与能谱分析结果.由图5a中SEM观察可见,腐蚀区表面的腐蚀产物比较光滑,呈熔融凝固状态,且呈网状分布;能谱分析发现,亮区基本为铁的硫化物,而暗区的铁、钙和硅的硫化物含量都较高的复杂的化合物;其平均成分如图5a中的能谱所示,其腐蚀产物的基本成分为铁、硅、钙的硫化物,且硫化物的含量较高.蠕变凸起部位的表面腐蚀形貌与图5a情况非常近似.去除腐蚀产物后的腐蚀形貌如图5b所示,由该图可见,腐蚀区的金属表面比较粗糙.     图6是管道外表面典型非腐蚀减薄部位的腐蚀形貌SEM观察结果.由图6a可见非腐蚀减薄区的腐蚀产物比较疏松,为颗粒状;其能谱分析表明腐蚀产物主要是铁的化合物(硫化物很少).去除腐蚀产物后的腐蚀形貌如图6b所示,由该图可见,非腐蚀区的金属表面比较平坦.对比图5b和图6b可见,腐蚀区的外表层金属腐蚀速率比较大,发生了较为严重的腐蚀.     1.5 腐蚀产物分析     图7是发生腐蚀减薄区的外表面腐蚀产物的X ray衍射分析结果;由该图可见,腐蚀区的主要腐蚀产物为SiO2、Fe2O3、FeSO4、FeOOH和NiSO4.由硫酸盐产物可以初步判断,硫酸铁、硫酸镍等形成的混合腐蚀产物,加上积聚的灰分(SiO2)的作用,能够显著加速金属基体的氧化,发生所谓的积灰腐蚀或高温热腐蚀(有的文献中也称为熔盐腐蚀)[4].     图8是管壁外表面非腐蚀减薄区的腐蚀产物X ray射线衍射分析结果,与图7的结果相比,非腐蚀减薄区的外管壁腐蚀产物比较简单,基本为铁的氧化物,由图可见这些氧化物主要为Fe2O3,还有少量的Fe3O4.由此可见,非腐蚀区基本没有铁的硫酸盐,硫酸的露点腐蚀不明显.     2.失效原因讨论     2.1 露点腐蚀     烟气中不但有SO3,还有水蒸汽,它们相互作用而生成硫酸蒸汽.如果管壁温度低于硫酸蒸汽的露点温度,硫酸蒸汽就会在管壁上凝结并产生腐蚀.本文的换热器间歇温度在230℃左右,接近硫酸的露点温度.因此对硫酸的露点温度进行了估算.计算方法如下[3]:                  从表4和表5的结果来看,烟气中的含水量和氧量只有很高的情况下才能使露点明显升高,接近间歇期温度(230℃),而实际中这两种情况基本不存在.因此锅炉正常工作时不能发生硫酸结露.只有在停机或其它偶然情况下才可能使余热交换器中的温度降至露点温度以下,产生非连续性露点腐蚀.这些情况下引起的露点腐蚀是很有限的.所以硫酸露点腐蚀并不是其腐蚀减薄的主要原因.由图8所示的非腐蚀减薄外表面腐蚀产物的成分来看,几乎没有监测到硫酸盐,也可以断定发生的硫酸露点腐蚀程度非常微弱.     2.2 硫酸盐热腐蚀     由宏观检测结果来看(表2),SA 178A管道发生的主要为管道外壁减薄,严重减薄区的管壁存在蠕变现象,对管道的最后开裂有一定加速作用,但对管道失效起主导作用的是管道的外部腐蚀.     锅炉炉膛在高温烟气的作用下,管壁外表面的铁、钴、镍等硫酸盐沉积物和灰分等能够引起不同程度的热腐蚀.这类热腐蚀称为低温热腐蚀.此种腐蚀以氧化为基础,既包括界面化学反应,又包括液态物质(沉盐)对故态保护性氧化膜的溶解.对于不同的氧化膜类型,热腐蚀发生的机理有所不同.其结果是连续氧化膜的完整性被破坏,代之以疏松的非保护性氧化物层,使腐蚀过程和氧化过程加剧,导致工件超前失效.锅炉管道金属在约610℃时,其向火侧或向烟气入口侧在高温烟气作用下会产生钒酸盐和硫酸盐沉积.它一般由硫酸镍、硫酸铁等的共晶熔融物作为熔盐介质来加速金属基体和氧化膜氧化腐蚀.而在实际环境中,过湿的灰分和SO3的存在会带来这种硫酸盐共晶熔体.也就是说SO3的存在是发生低温热腐蚀的必要条件,降低能够有效抑制这种腐蚀.     由表1所示的工况来看,烟气中SO3的体积含量大约为1%(以10%转化率计),而在灰分的作用和SiO2的催化作用下,在600℃~850℃温度范围内转化率会大大提高,甚至可以达50%.[3]所以积灰层中实际的SO3含量可能很高.含附了硫酸液滴和硫酸盐共熔物的灰分很容易在管道表面上粘结,形成强腐蚀性灰分层,并在灰层下形成硫酸盐层.由图7的腐蚀产物分析看,腐蚀减薄区表面确实存在硫酸亚铁和硫酸镍,而且有较多的SiO2.而且由图5腐蚀表面氧化膜的不连续,其中能谱分析发现较暗的区域就是含Si、Al和硫化物的灰分区.由这些足可以判断,在管道受热面最高温度(650℃)附近,发生了硫酸盐和灰分作用下的低温热腐蚀.     综合考虑,SA 178A炉管的腐蚀减薄及开裂是由于热腐蚀原因导致的.     3.防护措施     1 定期检查和维修,及早发现和更换失效管道.具体可以对使用满一年以上的管道,定期做超声波无损检测管壁厚度,并更换管道.     2 提高锅炉上游的热利用效率,降低余热锅炉烟气的初始温度,使硫酸盐难形成共熔体,以抑制硫酸盐的热腐蚀.     3 提高热交换管道的耐热腐蚀的性能.如采用表面热浸渗铝、复合渗硼或渗铬处理,提高管道的耐热腐蚀能力,或采用高级别的耐热金属材料做热交换器管道等.     4 改进锅炉结构,减小热腐蚀的程度.比如降低烟气入口的高度,增大低温管道区吸收热量的比重,提高传热效率,从而降低高位高温管道的受热面热腐蚀.     4. 结论     1.SA 178A低合金热交换器炉管发生的减薄并致爆裂主要由于硫酸盐的低温热腐蚀,硫酸的露点腐蚀不明显.     2. 热交换管束金相组织由铁素体和珠光体组成,为正常拉拔退火组织;管道受热面金属有明显的蠕变;破裂阶段是热腐蚀减薄、蠕变应变及管内压力共同作用的结果.     3.管束外表面腐蚀减薄区的腐蚀产物主要是SiO2、Fe2O3、FeSO4、FeOOH和NiSO4,非腐蚀区主要是Fe2O3和Fe3O4.     参考文献:     [1]丛海涛.加热炉余热回收设备烟气露点腐蚀及其抑制[J].石油化工腐蚀与防护,2001,18(3):14.     [2]耿卫东.催化裂化装置余热锅炉省煤器泄漏原因分析及对策[J].炼油设计,2001,31(12):23.     [3]姜森,刘全,辛曲珍.余热锅炉的酸露点温度计算[J].龙江电力,2002,24(4):298.     [4]杨德均,沈卓身.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社,1999.38.     [5]吴连生.失效分析技术及其应用,第十讲:蠕变断裂失效分析[J].物理化验-物理分册,1996,32(4):59.
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