堿回收鍋爐底部水冷壁復(fù)合管裂紋損壞情況分析

覃安業(yè)

(廣西南寧鳳凰紙業(yè)有限公司，廣西南寧，530031)

現(xiàn)代硫酸鹽法制漿廠使用的堿回收鍋爐屬于高溫高壓設(shè)備，最大的危險為水與爐膛中的熔融物接觸引起爆炸，爐膛水冷壁管出現(xiàn)損壞、爆裂則是此危險的主要根源之一。堿回收鍋爐熔爐區(qū)域水冷壁管多采用304 L不銹鋼面層的復(fù)合鋼管設(shè)計，因不銹鋼面層在長期超高溫狀態(tài)下與內(nèi)層20G碳鋼材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，致使不銹鋼面層產(chǎn)生裂紋、剝離，有可能導(dǎo)致內(nèi)層20G碳鋼被腐蝕、變薄，耐壓強(qiáng)度下降，進(jìn)而引發(fā)水冷壁管爆裂，爐水進(jìn)入爐膛與熔融物接觸產(chǎn)生爆炸。從運(yùn)行安全及成本的角度考慮，避免裂紋的產(chǎn)生及裂紋產(chǎn)生后的修復(fù)是堿回收鍋爐必不可少的維護(hù)維修項目之一，掌握好水冷壁管的選材、運(yùn)行負(fù)荷及操作控制等因素可有效抑制裂紋產(chǎn)生;裂紋產(chǎn)生后，可修補(bǔ)面層或采用與20G材質(zhì)熱膨脹系數(shù)更接近的復(fù)合管［1-3］。

1 堿回收鍋爐底部水冷壁情況

圖1所示為堿回收鍋爐爐膛和爐底的示意圖。

1.1 堿回收鍋爐底部構(gòu)成

現(xiàn)代堿回收鍋爐多為傾斜型雙斜面爐底設(shè)計，爐底水冷壁由前后左右墻等4個部分組成，前后墻水冷壁管垂直到爐底后向爐膛中部轉(zhuǎn)彎過渡，一直傾斜延伸到爐底中心處的聯(lián)箱處，組成爐底平面，左右墻則作為爐底平面的側(cè)立面與前后墻形成對爐底的包圍。

1.2 水冷壁管材料

為防止熔融物腐蝕和沖刷，同時兼顧材料成本，大中型堿回收鍋爐熔爐水冷壁管多采用面層為SS304L的復(fù)合鋼管設(shè)計，即除爐底平面中間部分采用20G碳鋼管以外，前后左右墻自三次風(fēng)口以上1 m起往下的其余部分均采用復(fù)合鋼管。目前較多采用SS304L復(fù)合鋼管，即內(nèi)層20G碳鋼，外層304L不銹鋼，水冷壁管出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象大多發(fā)生在此種材質(zhì)。

1.3 堿回收鍋爐各項參數(shù)對比

本文介紹的堿回收鍋爐自1999年開始投入運(yùn)行，于2007年進(jìn)行了技改，技改前后各項參數(shù)對比見表1。

圖1 堿回收鍋爐爐膛及爐底示意圖

表1 堿回收鍋爐技改前后參數(shù)對比

圖2 復(fù)合管不銹鋼層裂紋出現(xiàn)初期情況

2 復(fù)合管不銹鋼層裂紋情況

為安全起見，工廠每年大修時均須對堿回收鍋爐水冷壁進(jìn)行檢查。但堿回收鍋爐經(jīng)過多年的運(yùn)行、生產(chǎn)負(fù)荷的逐漸提高及操作控制不當(dāng)?shù)仍?，會造成?fù)合管表面不銹鋼層開始出現(xiàn)裂紋并逐年增多，嚴(yán)重區(qū)域會出現(xiàn)表面不銹鋼層剝離、內(nèi)層被腐蝕出點(diǎn)蝕坑等現(xiàn)象。

2.1 裂紋初期

復(fù)合管表面不銹鋼層開始出現(xiàn)裂紋時，裂紋分布在爐底面四周的某些局部區(qū)域，裂紋為管環(huán)向分布，呈細(xì)且短、平行或龜裂的形態(tài)，相對集中在每根管相同位置處的10 cm×10 cm范圍內(nèi)。復(fù)合管不銹鋼層裂紋出現(xiàn)初期情況如圖2所示。

2.2 裂紋中期

隨著高負(fù)荷運(yùn)行時間的不斷延長，裂紋情況逐漸惡化，復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)龜裂情況，且損傷程度逐年加重，其中屬溜槽口旁邊水冷壁管和爐底管接爐底聯(lián)箱前的彎頭處最嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

(1)復(fù)合管不銹鋼層龜裂數(shù)量大大增加，部分龜裂嚴(yán)重區(qū)域如爐底水冷壁左右兩邊各5根復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)塊狀剝離 (見圖3)，個別地方如爐底水冷壁左邊5根管接到爐底聯(lián)箱前墻側(cè)彎頭處還出現(xiàn)點(diǎn)坑 (見圖4)。磁粉探傷后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂損壞 (見圖5)。

(2)受熔融物嚴(yán)重腐蝕、沖刷，溜槽口周邊水冷壁管的龜裂損傷最嚴(yán)重 (見圖6)。溜槽口水冷壁管與旁邊水冷壁管磁粉探傷后的比較見圖7。

圖3 復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)塊狀剝離

圖4 復(fù)合管不銹鋼層出現(xiàn)點(diǎn)坑

圖5 磁粉探傷后的溜槽口旁水冷壁管嚴(yán)重龜裂損壞

圖6 溜槽口旁水冷壁管

圖7 溜槽口旁水冷壁管與旁邊水冷壁管磁粉探傷后的比較

圖8 前墻一次風(fēng)口旁水冷壁管

圖9 爐底水冷壁管與鰭片之間的裂紋

圖10 溜槽口水冷壁管打磨不銹鋼層分析

(3)前墻一次風(fēng)嘴不受熔融物浸泡，但由于一次風(fēng)吹蝕嚴(yán)重，旁邊水冷壁管也出現(xiàn)較集中的龜裂區(qū)，如圖8所示。

(4)復(fù)合管之間鰭片有橫向裂紋，復(fù)合管與鰭片相連的根部有較長的連續(xù)龜裂，部分甚至已經(jīng)剝離(見圖9)。此種裂紋不排除復(fù)合管與鰭片制造焊接時存在缺陷或鰭片材質(zhì)不良等因素。橫向裂紋擴(kuò)展?jié)B透后也可能會引起水冷壁管產(chǎn)生橫向裂紋或拉裂水冷壁管。

2.3 復(fù)合管內(nèi)層情況

經(jīng)專業(yè)檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋僅停留在不銹鋼層，內(nèi)層20G管仍維持原有厚度，如圖10所示。

3 復(fù)合管產(chǎn)生龜裂的原因分析

3.1 爐膛底部情況

復(fù)合管的內(nèi)層材質(zhì)為20G，主要起承壓作用;外層304L不銹鋼層則主要防止堿性硫化熔融物腐蝕內(nèi)層20G管，以免內(nèi)層被腐蝕、變薄，從而降低管子的耐壓強(qiáng)度。

正常生產(chǎn)時，爐膛底部堆積著由大量熔融物和未燃燒的黑液碳粒組成的墊層，墊層呈中間高四周低的山峰形狀，黑液掉落到墊層后，變成碳粒，燃燒成為熔融物，并從爐底四周向后墻流動，經(jīng)溜槽進(jìn)入溶解槽。

爐底四周及溜槽口的墊層較薄，墊層在離水冷壁管較近的區(qū)域燃燒，使得此區(qū)域的水冷壁管承受熔融物沖刷、腐蝕及熱負(fù)荷作用，該區(qū)域水冷壁管表面溫度比爐底中部高得多;此外熔融物具有強(qiáng)堿性，且含有硫離子，在高溫狀態(tài)下特別容易對碳鋼管產(chǎn)生腐蝕。而爐底中間墊層較高，與水冷壁管接觸的墊層燃燒反應(yīng)相對較溫和，甚至?xí)幸粚幽痰娜畚飳λ浔诠芷鸨Ｗo(hù)作用。

3.2 爐膛截面熱負(fù)荷

3.2.1 設(shè)計情況

堿回收鍋爐的設(shè)計從爐膛開始，爐膛規(guī)格尺寸的采用取決于爐膛截面熱負(fù)荷，該參數(shù)是黑液在爐膛中燃燒產(chǎn)生的總熱量與爐膛截面積之比。堿回收鍋爐爐膛截面熱負(fù)荷的典型設(shè)計數(shù)值為2.48～2.79 MW/m2，如果此數(shù)值過低，說明爐膛截面積大，單位面積所承受的熱負(fù)荷也低，同量的黑液燃燒，熔爐區(qū)溫度低，還原率無法提高;如果數(shù)值過高，說明爐膛截面積小，單位面積所承受的熱負(fù)荷也高，同量的黑液燃燒，熔爐區(qū)溫度高，致使水冷壁管過熱，加速腐蝕損壞。

3.2.2 實際生產(chǎn)情況

圖11為2004—2012年堿回收鍋爐爐膛截面熱負(fù)荷均值圖。由圖11可知，2005年提高產(chǎn)量后，爐膛截面熱負(fù)荷大幅提高。2005—2012年，爐膛截面熱負(fù)荷長期處于3.36～3.47 MW/m2之間，超出典型設(shè)計數(shù)值上限值 (2.79 MW/m2)約20%～24%。

圖11 2004—2012年爐膛截面熱負(fù)荷均值圖

3.2.3 裂紋與爐膛截面熱負(fù)荷的關(guān)系

爐膛截面熱負(fù)荷處于典型設(shè)計數(shù)值范圍時，爐底四周水冷壁管不銹鋼層并沒有出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。但從2005年起，由于爐膛運(yùn)行負(fù)荷大幅提高，爐膛截面熱負(fù)荷大幅度上升，2006年開始出現(xiàn)裂紋，并在之后多年維持高值運(yùn)行后，裂紋情況愈加嚴(yán)重。

3.2.4 爐膛截面熱負(fù)荷過高的原因

3.2.4.1 運(yùn)行負(fù)荷即燃燒黑液量過大

燃燒黑液量過大是爐膛截面熱負(fù)荷高的最根本原因，從實際運(yùn)行情況分析，在設(shè)計負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行多年并未發(fā)現(xiàn)裂紋。但在技改后，堿回收鍋爐運(yùn)行負(fù)荷提高，受現(xiàn)場位置限制，爐膛面積未能與設(shè)計負(fù)荷呈正比例放大，導(dǎo)致爐膛截面熱負(fù)荷大幅提高。

3.2.4.2 高負(fù)荷生產(chǎn)運(yùn)行過程的操作控制

在相同負(fù)荷條件下，生產(chǎn)操作控制對局部熱負(fù)荷也有比較明顯的影響。如黑液噴射顆粒較小、噴射分布不均勻;未及時清理風(fēng)嘴、溜槽，使得熔融物未能順暢地排出;給風(fēng)過于猛烈等均可能造成局部過度燃燒，從而造成局部熱負(fù)荷過高。

3.3 裂紋根本原因

水冷壁管長期處于超高溫狀態(tài)下時，不銹鋼層與20G兩種材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不一致是產(chǎn)生裂紋的根本原因。

20G材質(zhì)在爐膛內(nèi)易被堿性硫化熔融物腐蝕，而304L不銹鋼具有耐腐蝕、性價比高、與20G材質(zhì)熱膨脹系數(shù)較為接近等特性，使得表層為304L不銹鋼材質(zhì)的復(fù)合管在現(xiàn)代堿回收鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用。

實際應(yīng)用過程中，復(fù)合管確實起到了應(yīng)有的作用，但能否長期安全使用，仍取決于爐膛截面熱負(fù)荷數(shù)值大小。當(dāng)數(shù)值處于典型設(shè)計范圍時，受熱負(fù)荷相對較低，仍處于安全范圍，兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)基本一致，不會出現(xiàn)裂紋;當(dāng)數(shù)值大大超出典型設(shè)計數(shù)值時，兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)逐漸體現(xiàn)出差別，熱負(fù)荷越高，差別越大，越容易產(chǎn)生裂紋。

4 爐底水冷壁復(fù)合管龜裂的危害

復(fù)合管龜裂甚至剝離后，無法對內(nèi)層再起到保護(hù)作用，使得高溫熔融物對碳鋼管產(chǎn)生腐蝕，水冷壁管耐壓強(qiáng)度降低，水泄漏進(jìn)入爐膛，引起爆炸。

裂紋有可能會滲透、延伸，使得內(nèi)管也產(chǎn)生裂紋，同樣降低管子的耐壓強(qiáng)度。

堿回收鍋爐運(yùn)行時最危險的事情就是有水進(jìn)入爐膛內(nèi)，與熔融物接觸后，產(chǎn)生水-熔融物爆炸，一旦水冷壁管漏水，后果不堪設(shè)想。本文介紹的堿回收鍋爐曾經(jīng)發(fā)生過一次爆炸事件，當(dāng)時堿回收鍋爐已停爐，且墊層已經(jīng)冷卻了8 h，盡管如此，過熱器少量的水泄漏進(jìn)入爐膛后，仍引起爐膛底部的墊層發(fā)生爆炸，將爐膛東南角炸裂，爐膛前墻變形凸起。如果滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時爐底管泄漏，則后果不堪設(shè)想。

5 修復(fù)措施

5.1 簡單修復(fù)可將復(fù)合管損壞處打磨后，采用氬弧焊恢復(fù)不銹鋼面層，但因面層與里層材質(zhì)膨脹系數(shù)差異較大的根本原因未能得到解決，高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行仍會不斷地產(chǎn)生龜裂。安全可靠的辦法就是更換面層與里層材質(zhì)膨脹系數(shù)差異較小的復(fù)合水冷壁管，同時控制生產(chǎn)負(fù)荷。

5.2 鑒于堿回收鍋爐爐膛面積已經(jīng)不能更改，如果要保持目前的燃燒負(fù)荷，爐膛截面熱負(fù)荷肯定會居高不下，如果更換后仍使用304L不銹鋼材質(zhì)的復(fù)合管，必將仍會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，因此，必須使用新型材料。

Sanicro 38與20G兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相對更接近，據(jù)相關(guān)資料介紹，目前使用復(fù)合材料Sanicro 38堿回收鍋爐，即使?fàn)t膛截面熱負(fù)荷達(dá)到3.5 MW/m2，也未出現(xiàn)過龜裂現(xiàn)象。

將一次風(fēng)嘴以下的304L復(fù)合鋼管水冷壁管全部更換為復(fù)合材料Sanicro 38水冷壁管，更換區(qū)域為:①爐底水冷壁左右兩邊各5根復(fù)合管;②后墻水冷壁從一次風(fēng)嘴下部至爐底管與碳鋼管焊接處的復(fù)合管，包括3個溜槽口。

6 結(jié)語

堿回收鍋爐爐底水冷壁管出現(xiàn)不銹鋼層龜裂、剝離的現(xiàn)象對堿回收鍋爐的安全運(yùn)行造成非常大的威脅，其原因涉及到設(shè)計、實際產(chǎn)量、操作控制等各種因素，任何因素的缺失都有可能造成水冷壁管損壞的危險，一旦形成裂紋損壞，企業(yè)將面臨更換水冷壁管的高額成本或不更換的安全風(fēng)險。

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