余热锅炉换热管失效分析_卢芳

图 ３ Ｉｎｃｏｌｌｙ ８００ 合 金 换 热 管 内 壁 金 相 组 织
通常情况下，硫 化 物 对 镍 基 合 金 会 产 生 严 重 的 腐蚀 ，但 ［７－１０］ 对 换 热 管 内 壁 金 相 组 织 检 验 未 发 现 明 显的低熔点硫化物 腐 蚀 层，可 见 管 程 内 介 质 酸 性 气 硫化物含量较低。
ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｌｌｏｗｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｎｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔａｋｅｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｓｔ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｘ ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｆｌｕｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｄｉｓｓｏｌｖｅ ｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｌｔ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｓｉｄｅ ｉｎ ｌｏｃａｌ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｌｔｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｔｕｂｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｆｉｌｍ，ｆｉｎａｌｌｙ ｌｏｃａｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｇｒｏｏｖｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｌｕｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｔｕｂｅ ｍｏｕｔｈ ｈａｄ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｅｄ ｔｏ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｃｅｎｔｅｒ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｔｕｂｅ ｍｏｕｔｈ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ ｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ，ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｌｏｃａｌ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｆａｉｌｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅ－ ｖｅｎｔｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｓｌｅｅｖｅ．
２．３ 扫 描 电 镜 分 析
除 去 换 热 管 内 壁 绿 色 、黑 色 、近 基 体 灰 色 腐 蚀 产 物 后 ，清 洗 换 热 管 内 壁 并 在 扫 描 电 镜 下 观 察 分 析 ，发 现沿奥氏体晶 界 有 大 量 析 出 物 （图 ５），系 典 型 的 高 温过热结果。
第２期 卢 芳，等：余热锅炉换热管失效分析
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｂｏｉｌｅｒ；ｆｕｓｅｄ ｓａｌｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｇｒｏｏｖｅ；ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ
余热锅炉在高 温 高 压 的 工 况 下 操 作，经 常 发 生 腐蚀失效 。 ［１－３］ 某化工厂余热锅炉自２００６年 投 用 以 来 仅 服 役 ８ａ即 发 生 堵 塞 ，并 诱 发 局 部 腐 蚀 失 效 。
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石 油 化 工 设 备 ２０１６年 第４５卷
少 量 铁 锈 色 垢 物 ，无 明 显 氧 化 、腐 蚀 痕 迹 。 靠 近 管 板 处管头内壁 有 较 厚 的 腐 蚀 产 物，产 物 呈 白 色、淡 绿 色，且管壁存在不 均 匀 减 薄，距 管 板 头 约 ３５ ｍｍ 处 开始出现明显的腐蚀沟槽（图１）。对 锅 炉 管 板 与 换 热管间接头进行渗 透 检 验，管 板 角 焊 缝 处 未 发 现 裂 纹性缺陷。沿换热管纵向剖开后管子内壁腐蚀形貌 见图２。由图 ２ 可 见，锅 炉 管 内 壁 附 着 有 较 厚 的 淡 绿色腐蚀 产 物。 沿 锅 炉 管 纵 向 对 管 子 壁 厚 进 行 测 定，每隔３０ｍｍ 测 １ 个 点，以 近 管 板 头 处 为 起 点 测 定 ，测 试 结 果 发 现 每 根 锅 炉 管 壁 厚 均 呈 现 一 定 减 薄 ， 最 大 减 薄 量 为 ４．８０ ｍｍ，最 小 减 薄 量 为 ３．６０ ｍｍ。
经 查 阅 相 关 标 准 可 知，ＧＢ １５０．１～１５０．４— ２０１１《压力容器》［５］中奥氏体不锈钢压力容器所 允 许 采 用 的 最 高 设 计 温 度 为 ７００ ℃，文 献 ［４］中 为 ８００ ℃。而文献［４］和 ＪＢ／Ｔ ４７５６—２００６《镍 及 镍 合 金制压力容器》［６］中 镍 基 合 金 压 力 容 器 所 允 许 采 用 的最高设计温度均为９００～９５０ ℃，固溶态的８００合 金最高许用温度上限为８００ ℃。由此余热锅炉服役 工况参数可知，其 管 程 设 计 温 度 为 ４００～５００ ℃，而
出于 模 型 简 化 的 需 要，此 处 仅 用 １ 根 换 热 管 进 行模拟分析，简化后 施 加 在 模 型 热 流 侧 流 量 为 热 流
侧实际总流量除以 总 管 数，施 加 在 冷 流 侧 流 量 为 冷
流侧实际总流量除 以 总 管 数，简 化 后 的 换 热 管 模 型
见 图 ６。
图 ７ 近 管 口 处 流 体 流 动 速 度 分 布
Ｆａｉｌｕｒｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ Ｂｏｉｌｅｒ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｔｕｂｅ
ＬＵ Ｆａｎｇ，ＳＵＮ Ｈａｉ－ｓｈｅｎｇ，ＭＩＡＯ Ｇａｎｇ （Ｌａｎｐｅｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｌｏｃｋ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｉｎ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｂｏｉｌｅｒ Ｉｎｃｏｌｌｙ ８００ｎｉｃｋｅｌ－ｂａｓｅｄ ａｌｌｏｙ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｔｕｂｅｓ
１ 换 热 管 宏 观 腐 蚀 形 貌 检 查
现 场 检 查 发 现 ，锅 炉 换 热 管 外 壁 呈 黑 色 ，附 着 有
① 收稿日期：２０１５－１１－１０ 作 者 简 介 ： 卢 芳 （１９８７－），女 ，浙 江 金 华 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，现 从 事 热 交 换 器 开 发 设 计 工 作 。
来自百度文库
７６．４ ｍｍ、壁 厚 ６．１ ｍｍ、长 ７ ０００ ｍｍ，共 计 ９５０ 根 ， 材 质 为Ｉｎｃｏｌｌｙ ８００。
此设 备 使 用 工 况 恶 劣，投 用 以 来 频 繁 发 生 换 热 管 管 头 失 效 故 障 ，严 重 影 响 装 置 的 安 全 长 周 期 运 行 ， 故对其进行失效分析。
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图 ５ 换 热 管 内 壁 扫 描 电 镜 分 析 结 果
３ Ｆｌｕｅｎｔ模 拟 研 究
体由湍流逐渐变为层流流动。这个现象可以解释距 离换热管口３５ ｍｍ 处 大 量 换 热 管 出 现 腐 蚀 沟 槽 的
根据 宏 观 检 验 结 果，换 热 管 壁 厚 沿 纵 向 均 呈 不 原因。从图７中还 可 以 看 到，进 口 中 心 处 的 介 质 流
均匀减薄趋 势，最 大 减 薄 量 为 ４．８０ ｍｍ，最 小 减 薄 速为３６ｍ／ｓ，由 于 换 热 管 口 的 边 缘 效 应，导 致 管 内
量为３．６０ｍｍ，距管板头约３５ｍｍ 处有大量换热管 壁距 离 管 板４０ｍｍ左 右 处 发 生 湍 流，流 速 增 加 至
出现明显的腐蚀沟 槽，发 生 此 腐 蚀 情 形 的 案 例 非 常 ５０ｍ／ｓ，使 换 热 管 内 壁 发 生 流 体 加 速 腐 蚀。 文 献
少见，故采用 Ｆｌｕｅｎｔ模拟软件进行流体流 动 与 温 度 ［１６，１７］指出，通常情况下，换热管入口、硬垢物下游
场的模拟计算加以定性分析 。 ［１２－１４］
和焊缝下游经常发生此类腐蚀现象。
３．１ 模 型
根据能量平衡理论进 行 以 下 假 设［１５］：① ９５０ 根 换热管换 热 效 率 相 同。 ② ９５０ 根 换 热 管 不 发 生 堵 塞，流量相等。③ 忽略辐射换热的影响。
实际测量发现设 备 最 高 工 作 温 度 达 到 了 １ ０８０ ℃， 故该设备存在超高温服役情形。
２．１ 金 相 组 织 检 验
在靠近管板部位的换热管内壁预制金相试样观 察金相组织，发现组织为正常的奥氏体 组 织（图 ３）， 在晶界间含有少量的析出物。
图 １ 热 交 换 器 近 管 板 处 宏 观 腐 蚀 形 貌
为了 观 察 整 根 换 热 管 管 壁 温 度 分 布 情 况，从 管
２．２ 腐 蚀 垢 物 分 析
采用扫描电镜能谱分析仪（ＥＤＳ）和 Ｘ－ｒａｙ衍 射 仪对腐蚀产物元素 和 物 相 结 构 分 别 进 行 分 析，能 谱 分 析 结 果 见 图 ４。
图 ２ 换 热 管 宏 观 腐 蚀 形 貌
２ 换 热 管 材 料 性 能 测 试
对换 热 管 取 样 进 行 化 学 成 分 测 定，测 试 结 果 显 示，其化学成 分 符 合 《ＡＳＭＥ 锅 炉 及 压 力 容 器 规 范 国际性规范Ⅱ 材料 Ｂ 篇 非铁基材料 ＳＢ１６３无缝镍 和镍合金冷凝器及热 交 换 器 管 子》［４］中 Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒ合 金 ＵＮＳ Ｎ０８８００的要求，为了检验材料是 否 在 使 用 过程中造成损伤还需进行微观测试。
第４５卷 第２期 石 油 化 工 设 备 Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２ ２０１６年３月 ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｍａｒ．２０１６
文章编号：１０００－７４６６（２０１６）０２－００７３－０００４ ①
图 ４ 换 热 管 内 壁 腐 蚀 产 物 能 谱 分 析 结 果
由图４可见，产物中含有较多的 Ｏ、Ｓ、Ｎａ和 Ｆｅ 元 素 。 取 换 热 管 内 壁 绿 色 、黑 色 、近 基 体 灰 色 腐 蚀 产 物，采用 Ｘ－ｒａｙ 衍 射 仪 对 其 进 行 物 相 结 构 分 析 ， ［１１］ 结 果 显 示，绿 色 产 物 主 要 成 分 为 ＦｅＡｌ２Ｏ４、 Ｎｉ２Ｖ２Ｏ７，黑 色 产 物 主 要 成 分 为 ＳｉＯ２、ＦｅＳＯ４，近 基 体产物的主要成 分 为 Ｎｉ２Ｖ２Ｏ７、ＶＯＰＯ４。 黑 色 产 物 中的硫酸盐混合物有较大的腐蚀性。
该余 热 锅 炉 的 管 程 介 质 为 酸 性 气 体，设 计 温 度 ４００ ℃／５００ ℃，实 际 工 作 温 度 １ ０８０ ℃，设 计 压 力 ０．０９２ ＭＰａ，工 作 压 力 ０．００１ ６ ＭＰａ；壳 程 介 质 为 水、水蒸气，设计温度２７０ ℃，工作温度２６０ ℃，设计 压力５．０ ＭＰａ，工作 压 力 ４．６ ＭＰａ。 其 换 热 管 外 径
余热锅炉换热管失效分析
卢 芳，孙海生，苗 刚
（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 ７３００７０ ）
摘 要 ： 针 对 某 余 热 锅 炉Ｉｎｃｏｌｌｙ ８００ 镍 基 合 金 换 热 管 发 生 局 部 垢 物 堵 塞 并 诱 发 腐 蚀 失 效 的 问 题 ，通 过材料成分检验、金相组织检验、能谱分析测试、Ｘ 射线衍射测试及 Ｆｌｕｅｎｔ模拟计算等手段进行分 析。结果表明，管程沉积的盐类垢物在换热管局部高温区 熔 化，侵 蚀 换 热 管 保 护 膜，导 致 换 热 管 内 壁发生熔盐腐蚀产生腐蚀沟 槽。Ｆｌｕｅｎｔ软 件 模 拟 进 一 步 表 明，换 热 管 口 存 在 边 缘 效 应，导 致 距 离 管口一定距离中心处发生湍流流动，边界层传热恶化使管内壁产 生 局 部 高 温 是 发 生 腐 蚀 失 效 的 主 要 原 因 ，可 通 过 增 设 防 腐 蚀 套 管 预 防 此 类 问 题 的 发 生 。 关键词：余热锅炉；熔盐腐蚀；腐蚀沟槽；边缘效应 中图分类号：ＴＱ０５０．９；ＴＥ９８６ 文献标志码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７４６６．２０１６．０２．０１６