100万t/a催化装置余热锅炉炉管爆管失效分析及防范措施

摘要：采用化学成分分析、断口宏观分析及金相分析等手段，结合外蒸发器的结构特点，对催化装置余热锅炉炉管爆管故障进行失效分析。结果表明：外蒸发器蒸发管与锅炉联箱隔板间密封损坏，含有催化剂颗粒、SO2气体的高温烟气对炉管的冲刷和露点腐蚀，使炉管壁厚减薄严重，在水压作用下最终导致其爆裂。从锅炉系统的工艺操作、防腐处理、检修维护角度提出改进预防措施，提高了余热锅炉系统运行的可靠性。

关键词：催化装置;余热锅炉;炉管爆管;露点腐蚀;改进措施

0    引言

催化裂化装置余热锅炉是利用再生烟气余热，向装置汽轮机及生产工艺提供所需蒸汽的重要动力设备，其爆管故障严重影响生产装置的长周期安全运行。本文以某炼厂100万t/a重油催化装置的一台焚烧式余热锅炉发生爆管故障为例，分析故障产生的原因，并提出改进预防措施。

1    锅炉概况

余热锅炉型号Q108/785-27.88/45.49-3.82/430，为中温中压自然循环式全钢架炉，燃料为高温一再烟气（烟气温度490 ℃，流量60 000 Nm3/h，CO含量5.63%）、二再烟气（烟气温度720 ℃，流量25 000 Nm3/h）和瓦斯，额定蒸汽压力3.82 MPa，额定蒸汽温度430 ℃，给水温度104 ℃，排烟温度160 ℃。锅炉炉管规格为?42×4 mm，材质20G。余热锅炉与催化装置的外蒸发器（外取热器、油浆蒸发器）共同组成蒸汽发生系统，除本身自产中压蒸汽外，同时向外蒸发器提供热水，外蒸发器产生同参数的饱和蒸汽。

2    故障发生经过与处理

2019年某日，锅炉操作过程中炉膛压力由7.3 kPa瞬时增加至8.0 kPa，汽包液位急剧下降，紧急上水后，汽包液位未见回升。现场检查发现，锅炉防爆门起跳，蒸汽和烟气从防爆门窜出，中压蒸汽压力波动。据此推断锅炉爆管，装置紧急停工。

锅炉停工降温后打开人孔，发现蒸发一段、二段上水联箱内存在积水，且炉墙保温大面积脱落，判断此处为爆管位置。进一步检查，发现蒸发一段的一根炉管爆管（图1），其靠近烟道与联箱隔板处。根据现场实际情况，对该炉管进行堵管处理（图2）。

3    开裂炉管材料化学成分分析

采用全定量光谱仪对开裂炉管材料的化学成分进行测定，结果如表1所示。从表中可以看出，其化学成分符合《高压锅炉用无缝钢管》（GB/T 5310—2017）标准中对20G材料的要求。

4    开裂炉管断口宏观分析

由图1可知，开裂炉管外壁面呈黄褐色，存在明显冲刷痕迹，断口呈撕裂状，应为韧性破坏。测量断口附近壁厚，最薄处仅为1.9 mm，减薄率达52.5%，腐蚀严重。

5    开裂炉管金相分析

在开裂炉管断口附近位置和远离断口位置各取1个金相试样，进行研磨、抛光和硝酸酒精侵蚀，其微观组织形貌如图3所示。从图中可知其均为正常的铁素体+珠光体组织。

6    炉管爆管原因分析

由第3节和第5节可知，开裂炉管材料的化学成分以及微观组织均正常，可排除此方面原因导致的炉管爆管。

由开裂炉管的宏观分析可知，其外表面腐蚀减薄严重，而炉管所在联箱内介质环境为120 ℃左右的洁净空气，不可能造成炉管如此严重的腐蚀。经检查发现，蒸发器蒸发管与联箱隔板间的3处密封损坏，致使高温烟气进入联箱，位置如图4所示。一方面，高温烟气带有的催化剂粉尘不断对炉管造成冲刷;另一方面，高温烟气中含有6.65×10-4的SO2气体，降温后将在蒸发管表面形成露珠，造成露点腐蚀。在此冲刷及露点腐蚀的双重作用下，炉管壁厚减薄严重，最终在水压作用下导致炉管爆裂。

催化反应再生后的烟气和焚烧炉燃烧后的烟气中均含有SO2气体，由于加热炉炉膛、烟道烟气中存在过剩的O2，所以部分SO2将进一步氧化形成SO3。当炉管管壁温度低于露点温度时，含有SO2和SO3的水蒸气就会在管壁外表面上凝结成酸，对其产生露点腐蚀[1]。腐蚀介质的形成过程为：

2SO2+O2→2SO3

SO2+H2O→H2SO3

SO3+H2O→H2SO4

烟气的露点腐蚀是亚硫酸腐蚀、硫酸腐蚀共同作用的综合结果，其腐蚀形态取决于硫酸凝结的方式。烟气中硫含量越高，腐蚀的可能性就越大，腐蚀程度就越严重。硫酸露点与烟气中SO3浓度有关，一般大约为138 ℃[2]。炉管给水温度恰好低于露点温度，具备了产生露点腐蚀的条件。烟气中含有的催化剂颗粒不断冲刷，使腐蚀产物离开炉管管壁，暴露的新鲜金属表面在冲刷和露点腐蚀的反复作用下，造成管壁减薄严重，最终导致爆管。

7    改進预防措施

（1）在隔板表面焊接保温钉，喷涂高温陶瓷纤维，防止烟气进入联箱（图5），有效封堵蒸发管和联箱隔板之间的缝隙。

（2）加强炉墙保温及衬里的检查维护，发现问题及时修复;在联箱底部安装排凝阀及压力表，便于日常监控。

（3）优化催化原料，尽可能使用硫转移剂，降低原料中的硫含量，从而进一步降低烟气中SO2气体含量。

（4）锅炉操作中，在保证充分燃烧的前提下，适当降低焚烧炉主风量，尽量采用低过量空气系数，减少SO3的生成量，减缓烟气露点腐蚀[3]。

（5）炉管和烟道表面的铁锈Fe2O3以及烟气中催化剂颗粒含有的V2O5对低温烟气中SO2氧化生成SO3具有促进作用。因此应对蒸发管外表面进行除锈和防腐处理，同时开好激波除尘系统，在降低催化剂颗粒对炉管冲刷的同时，减缓SO3的生成。

[参考文献]

[1] 郭庆云，王强.催化余热锅炉低温省煤器炉管弯头泄漏失效分析[J].石油化工设备技术，2018，39（6）：43-48.

[2] 承压设备损伤模式识别：GB/T 30579—2014[S].

[3] 李彦，武彬，徐旭常.SO2、SO3和H2O对烟气露点温度影响的研究[J].环境科学学报，1997（1）：126-130.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：丁银标（1967—），男，江苏滨海人，工程师，主要从事炼油设备技术管理工作。