闪速炉废热锅炉水冷壁管的失效分析与对策

闪速炉废热锅炉水冷壁管的失效分析与对策

　安全分析闪速炉废热锅炉水冷壁管的失效分析与对策何满杰1，蔡善祥（1 .金隆铜业有限公司，安徽铜陵244021 2.合肥通用机械研究所，安徽合肥230031）对闪速炉废热锅炉水冷壁管爆裂原因进行分析，确认爆裂是由低温硫酸露点腐蚀和烟气冲刷磨蚀引起。实践证明，等离子热喷涂及50Cr50Ni涂层能有效解决由此引起的爆裂失效问题。

　　废热锅炉水冷壁管爆裂Ni Cr合金热喷涂1前言闪速炉是铜冶炼的主要设备，铜冶炼过程中的高温烟气通过废热锅炉回收余热，称闪速炉废热锅炉，它是有色冶金行业的关键冶炼设备之一。而水冷壁管（以下简称炉管）又是该设备的关键部件，也是极易发生失效的主要组合件。由于炉管长期在高温、高压下工作，管壁受到高温烟气低温露点腐蚀和烟尘金属微粒冲刷磨蚀等作用，会发生各种形式的破坏和失效。某公司一台闪速炉废热锅炉自1997年安装竣工并投入使用以来，炉管每年出现5～7次爆裂，严重影响了安全生产。本文针对闪速炉废热锅炉炉管爆裂失效进行分析，提出解决措施和对策，并对其实施Ni Cr合金热喷涂。热喷涂后的炉管运行正常。该闪速炉废热锅炉技术特性。

　　2炉管损坏部位、形式和失效分析2.1炉管损坏部位及形式闪速炉废热锅炉炉管内流动的介质为锅炉给水，炉管间流动的介质为高温烟气。外观检查发现，炉管损坏的部位位于吹灰器入口附近（见图1）和入烟口U形弯处（见图2）。其发生损坏的形式为吹灰器入口附近的炉管外壁存在蜂窝状腐蚀坑，入烟口炉管U形弯壁厚明显减薄，并伴有穿透性裂纹，裂纹断口呈脆性开裂（见图3）。

　　2.2炉管爆裂原因分析（1）腐蚀失效烟气的酸露点温度为酸凝结速度与酸蒸发速度相等时的烟气温度，具体酸露点温度值与烟气成分有关。烟气成分分析结果 ，烟气含尘量及烟尘组分分析结果见表3.

　　项目壳程管程介质高温烟气锅炉给水蒸发量（t/ h）最高工作压力（MPa）入口烟气量（Nm进口/出口烟气工作温度（℃）循环水温度（℃）水冷壁管（炉管）规格（mm）材质烟气入口尺寸（mm）炉膛尺寸（mm）吹灰器温度（℃）吹灰器周围密封空气温度（℃）烟气成分分析结果名称烟尘组分（Wt ）烟气含尘量分析结果通常情况下，烟气中水蒸汽的分压为0.1 MPa左右，烟气的露点温度在30～60℃之间。从表2可知，高温烟气中含有SO和H约有与高温烟气中水蒸汽化合形成硫酸蒸气，这时把露点温度提高到90～180℃，称为烟气露点温度，即烟气露点温度随SO含量增加而升高。经测定，闪速炉废热锅炉烟气露点温度为℃。当设备开车初期及停工降温过程中，炉内温度较低或吹灰器吹出40～45℃低温压缩空气区及吹灰器周围密封空气温度（200℃）等均低于烟气露点温度，此时硫酸蒸气在低温区域炉管表面冷凝，生成稀硫酸，产生低温硫酸露点腐蚀。另一方面，高温烟气中的SO与水蒸汽化合生成H再与O结合也同样生成稀H 4，在低温区域产生硫酸露点腐蚀。硫酸露点腐蚀产物凝结在炉管表面的特征为浅黄色夹杂兰绿色， pH值范围在1～3之间。反应方程式如下硫酸对金属的腐蚀生成FeSO硫酸露点腐蚀对金属的腐蚀首先也生成FeSO 4，但在烟尘沉积物的催化作用下，与烟气中的SO和O进一步反应，生成Fe对SO向SO的转化过程中有催化作用，当pH值低于3时，Fe本身对金属腐蚀生成FeSO 4，于是形成FeSO的腐蚀循环，大大加快腐蚀进程。

　　（2）冲刷磨蚀失效从表3可知，高温烟气中烟尘量高达135.6 3，烟尘在高速流动的烟气中对炉管表面产生冲刷和磨蚀作用，导致炉管壁厚减薄，在较高压力循环水的作用下，产生炉管爆裂。

　　3采取的措施与对策该炉管在生产过程中频繁发生爆裂失效，抢修的唯一办法是短路堵管（见图4），此办法虽暂时解决炉管爆裂泄漏，但却带来下列问题：（1）减小了炉管传热面积，提高了烟气出口温度，降低了热效率（2）短路被堵的炉管与相邻炉管受热不一致，造成炉管局部热应力增大，易使炉管之间连接焊缝产生疲劳热裂纹，加快了炉管的爆裂失效。

　　根据炉管失效分析，解决炉管爆裂的主要措施是防止低温硫酸露点腐蚀和烟气冲刷磨蚀问题。在调研的基础上，结合日本某冶炼厂生产的成功经验，对炉管外表面（烟气侧）采用热喷涂技术。

　　热喷涂在国内铜冶炼闪速炉废热锅炉的应用尚属首例，它是一种表面强化技术。它利用电弧、等离子弧、燃气―氧气等形式的热源将喷涂的涂层材料（金属或非金属）熔化或半熔化，并在气流的作用下使之雾化成微细熔滴或高温颗粒，以一定的速度喷到经过预处理基体表面，根据选定喷涂材料性能形成具有某种功能的涂层。

　　3.1热喷涂工艺（1）热喷涂材料选用50Cr50Ni粉剂为热喷涂材料（属于热喷涂材料Ni Cr合金的一种），该材料具有良好的高温耐磨和耐硫酸露点腐蚀性能。

　　（2）炉管外表面喷砂和清洗选用清洁、干净的石英砂，用压缩空气将其喷射到炉管外表面，一方面清除炉管表面的氧化物、污垢等另一方面提高炉管表面粗糙度，增加涂层材料对炉管的结合力，同时也降低热喷涂后炉管的变形和应力集中。喷砂后炉管表面首先采用汽油清洗并吹干，再用酒精清洗、吹干，进一步去除油脂、灰尘及残留砂粒。

　　（3）热喷涂选用等离子喷涂法：1）喷砂和清洗后的炉管表面须在30 min内进行热喷涂2）喷枪的粉末射流与炉管表面以垂直角度进行喷涂3）喷枪与炉管表面距离宜在100～150 mm之间4）热喷涂过程中，喷枪必须不断地匀速移动，不能长时间停留在某一个部位喷涂，防止炉管表面过热5）涂层厚度（4）涂层的封孔处理其目的是为了消除热喷涂存在不同程度的孔隙，即开口状态孔隙（孔隙由涂层内部通向涂层表面）和闭口状态孔隙（在涂层内部分散存在），达到耐硫酸露点腐蚀和烟气中烟尘颗粒的冲刷磨蚀。根据50Cr50Ni涂层性能和闪速炉废热锅炉操作工况（），选用含铝煤焦油直接涂在清洁干燥的涂层表面，自然干燥后即可涂层封孔。

　　3.2热喷涂效果（1）1999年5月大修期间，对闪速炉废热锅炉其中6台吹灰器入口处附近1 m范围内低温区炉管进行热喷涂试验，效果较好。所以，在2000年5月大修期间，又对30台吹灰器入口处附近1 m范围内低温区炉管进行热喷涂，至今未发生炉管爆裂。

　　（2）2001年5月大修期间，对入烟口更换的新炉管和部分壁厚减薄1～2 mm的旧炉管分别进行热喷涂，使用至今未发生炉管爆裂。

　　（3）2002年5月大修期间，经当地锅检所检验，热喷涂的炉管未发现管壁厚度减薄。

　　4结论（1）闪速炉废热锅炉频繁发生炉管爆裂失效，主要是炉管壁温低于烟气露点温度，硫酸蒸汽在低温区冷凝生成稀硫酸，产生硫酸露点腐蚀和高温烟气中烟尘金属微粒的冲刷磨蚀导致炉管壁厚减薄等的综合作用结果。

　　（2）Ni Cr合金具有良好的耐腐蚀性能和耐磨性能。50Cr50Ni粉剂作为闪速炉废热锅炉炉管的热喷涂材料，能有效防止高温烟气低温区硫酸露点腐蚀和烟气中烟尘金属微粒的冲刷磨蚀，较好地解决了炉管爆裂失效问题，提高了炉管的使用寿命。热喷涂后的闪速炉废热锅炉炉管目前运行正常。