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摘 要：通过对干熄焦锅炉炉管及腐蚀产物开展系统研究，提出炉管失效原因为氧化/硫腐蚀+高温粉尘冲刷。长寿命炉管仅耐磨层发生了较为严重的氧化及硫腐蚀，而近基体层发生了轻微氧化及硫腐蚀，基体只发生了轻微氧化;短寿命炉管耐磨层、近基体层以及基体裂纹内均发生了较为严重的氧化及硫腐蚀，且存在珠光体球化、内表面产生全脱碳层等缺陷。推测短寿命炉管存在超温现象，而超温可加剧氧化及硫腐蚀反应。此外，短寿命炉管遭受了较为严重的高温粉尘冲刷，不仅可造成炉管减薄，还会导致炉管表面温度升高。因此，减少循环气体中粉尘量尤其是大颗粒，可有效减弱冲刷以及控制炉管表面温度，是提高炉管使用寿命的关键。
关键词：干熄焦锅炉;炉管失效;爆管;氧化;硫腐蚀;粉尘冲刷
引言
干熄焦炉和锅炉是组成干熄焦系统的两大核心装置。影响干熄焦炉内耐火材料使用寿命的主要因素有热应力和热震等，而炉管失效是影响锅炉寿命的常见故障，其一般发生在过热器（一般为两级）、蒸发器、省煤器、水冷壁、吊顶管等处。锅炉爆管是一种严重的失效行为，且较为多发，据国产大型锅炉机组非计划停运次数统计，高温过热器和高温再热器爆管造成的非计划停运次数占总非计划停运次数的40%～50%。某干熄焦锅炉过热器频繁发生爆管，严重影响正常生产[1]。目前针对炉管失效问题已开展了不少研究工作，有在材料生产过程中产生的，也有在使用过程中造成的，但大多只针对失效炉管进行剖析。此外，由于不同锅炉操作环境不同，导致炉管失效的原因也可能不同。针对该干熄焦锅炉出现的问题，本文对失效炉管与正常使用炉管进行对比研究，深入剖析炉管失效原因，以期找到解决该问题的途径，进而延长炉管使用寿命。
1炉管失效现象
干熄焦锅炉过热器一般由两级过热器组成，下段的部件称为一次过热器，上段的部件称为二次过热器。过热器炉管材质为12CrlMov，其化学成分见表1。为了增强炉管的高温耐磨强度，二次过热器上部4排列管表面噴涂了Ni-Cr合金。爆管大多发生在二次过热器顶层炉管的上表面，且离吊顶管较近。找到爆管炉管后，为了尽快恢复生产，一般暂作掐管处理，待干熄焦年修时，爆管炉管已发生严重氧化，就近取炉管进行分析。炉管表面粗糙不平，可见黑色或黄褐色的腐蚀层，局部发生脱落后呈现凹坑，炉管壁厚有明显差别，背风侧厚度与原管接近，约为4mm，而迎风侧仅为2mm。炉管表面腐蚀层与金属基体的结合力较小，大多可用手剥落，腐蚀产物外表面呈红褐色，内部呈黑色，厚度为4～5mm不等，较厚的腐蚀层侧面可以观察到明显的分层现象[2]。
一次过热器和二次过热器的腐蚀产物主要为铁的氧化物和硫化物，其中铁的硫化物质量分数均在10%以上，说明过热器炉管存在硫腐蚀。对腐蚀产物进行化学成分分析腐蚀产物主要成分是铁的氧化物，其次为硫，折合成FeS质量分数在20%左右，说明炉管腐蚀主要以氧化和硫腐蚀为主。腐蚀产物剖面呈现明显的分层现象，由内到外依次可大致分为3层：
（1）最内层1颜色浅，比较致密;
（2）中间层2颜色较最内层1更深一些，但是结构比较疏松，内部孔隙较多;
（3）最外层3颜色最深，结构最为疏松。
经能谱分析，最内层1和中间层2元素组成类似，主要为铁、硫、氧等元素，而最外层3除了这3种元素外，还有少量钠、硅、钙、钛、氯等元素，推测其主要来自焦炭灰分。通过对管壁腐蚀产物开展物相、化学成分、微观形貌等分析，可知炉管外侧发生了硫腐蚀和氧化[3]。
2干熄焦锅炉炉管失效机理分析
2.1超温加剧炉管氧化和硫腐蚀
一方面，蒸汽与高于400℃的铁接触时，将发生反应生成Fe3O4而在700℃以下时SO2与铁反应速率较小;另一方面，对风机后循环气体成分进行检测，O2和SO2体积分数均在0.1%左右，而O2分子结构尺寸为0.346nm，SO2分子为0.41nm，N2分子为0.36nm，可见，O2分子较SO2分子更容易进入晶界。因此，在温度不太高（低于500℃）时，炉管更容易被氧化，而非硫腐蚀[4]。这就解释了长寿命炉管发生的现象，即长寿命炉管耐磨层发生了氧化和硫腐蚀，而近基体层及基体内部仅发生了轻微氧化。随着温度升高，SO2与铁反应速率逐渐变大，700℃以上时开始明显加快，在700～1000℃范围内该反应遵循抛物线规律。由于短寿命炉管存在超温现象，且温度越高，硫腐蚀反应越剧烈。这也解释了短寿命炉管发生的现象，即短寿命炉管耐磨层、近基体层以及基体内裂纹均发生了较为严重的硫腐蚀和氧化。
2.2超温产生原因分析
影响炉管表面温度的因素有锅炉入口循环气体温度、炉管内过热蒸汽温度、炉管表面积灰厚度以及高温循环气体中粉尘量[5]。
（1）一般情况下，锅炉各项工艺指标严格按照规定控制，由锅炉入口循环气体温度和炉管内蒸汽温度控制不当而引起超温的可能性较小。
（2）炉管表面积灰。随着炉管表面积灰增厚，锅炉内辐射系数和对流传热系数均降低，故总传热系数将降低。炉管表面积灰厚度增大时，积灰表层温度增大，而炉管基体表面温度却降低。
（3）高温粉尘冲刷。干熄焦循环气体中含有大量粉尘，质量浓度约为12～14g/m3，其温度与循环气体温度（850～960℃）大体一致。若重力除尘效果较差，将会导致大量粉尘尤其是相当数量的大颗粒随循环气体一起冲刷炉管，不仅可造成炉管减薄，还会导致炉管表面温度升高，随着粉尘质量浓度和粒度增大，颗粒与管束的碰撞频率提高，同时传热效率也得到提高[6]。
2.3失效机理
通过以上分析，可得出短寿命炉管失效原因为硫腐蚀/氧化+高温粉尘冲刷，失效过程：
（1）循环气体中O2和SO2首先进入耐磨层进行氧化和硫腐蚀。
（2）当除尘效果变差时，大量高温粉尘冲刷炉管，不仅导致耐磨层减薄，还导致炉管表面局部温度升高，进一步导致炉管内侧、外侧的氧化保护膜遭到破坏。一方面加剧了炉管外侧的腐蚀，另一方面导致炉管内侧产生脱碳现象，致使炉管性能下降[7]。
（3）炉管外侧保护膜被破坏后，循环气体中O2和SO2穿过耐磨层，继续腐蚀近基体层。
（4）随着炉管性能下降，大量高温粉尘尤其是大颗粒继续冲刷炉管，导致其内部产生裂纹，一部分O2和SO2穿过耐磨层和近基体层，进入裂纹内腐蚀。
（5）长时间的高温粉尘冲刷导致炉管严重减薄，当炉管某处遭受冲刷及腐蚀较剧烈时，耐磨层和腐蚀产物层均被冲刷掉，暴露出基体金属，O2和SO2可轻易地腐蚀炉管基体。由于腐蚀产物质地疏松，在烟尘冲刷等外力作用下极易脱落，并暴露出金属，重复发生以上过程，最终导致爆管[8]。
3结论
（1）短寿命炉管失效原因为硫腐蚀/氧化+高温粉尘冲刷。
（2）控制炉管表面温度，可控制硫腐蚀和氧化，提高炉管使用寿命。
（3）减少循环气体中粉尘量尤其是大颗粒，可有效减弱高温粉尘冲刷以及控制炉管表面温度，是提高炉管使用寿命的重要措施。
参考文献：
[1]刘京雷， 廖礼宝， 徐宏. 干熄焦余热锅炉蒸发器炉管失效分析及对策[C]// 中国化工学会2008年化工机械年会. 中国化工学会， 2008.
[2]王铁军， 王晓峻， 王建宽. 干熄焦锅炉炉管破损原因及处理措施[J]. 冶金设备， 2010（S1）：101-102.
[3]陈科伟. 干熄焦余热锅炉寿命分析及对策[J]. 工业锅炉， 2014， 000（005）：55-57.
关键词：干熄焦锅炉;炉管失效;爆管;氧化;硫腐蚀;粉尘冲刷
引言
干熄焦炉和锅炉是组成干熄焦系统的两大核心装置。影响干熄焦炉内耐火材料使用寿命的主要因素有热应力和热震等，而炉管失效是影响锅炉寿命的常见故障，其一般发生在过热器（一般为两级）、蒸发器、省煤器、水冷壁、吊顶管等处。锅炉爆管是一种严重的失效行为，且较为多发，据国产大型锅炉机组非计划停运次数统计，高温过热器和高温再热器爆管造成的非计划停运次数占总非计划停运次数的40%～50%。某干熄焦锅炉过热器频繁发生爆管，严重影响正常生产[1]。目前针对炉管失效问题已开展了不少研究工作，有在材料生产过程中产生的，也有在使用过程中造成的，但大多只针对失效炉管进行剖析。此外，由于不同锅炉操作环境不同，导致炉管失效的原因也可能不同。针对该干熄焦锅炉出现的问题，本文对失效炉管与正常使用炉管进行对比研究，深入剖析炉管失效原因，以期找到解决该问题的途径，进而延长炉管使用寿命。
1炉管失效现象
干熄焦锅炉过热器一般由两级过热器组成，下段的部件称为一次过热器，上段的部件称为二次过热器。过热器炉管材质为12CrlMov，其化学成分见表1。为了增强炉管的高温耐磨强度，二次过热器上部4排列管表面噴涂了Ni-Cr合金。爆管大多发生在二次过热器顶层炉管的上表面，且离吊顶管较近。找到爆管炉管后，为了尽快恢复生产，一般暂作掐管处理，待干熄焦年修时，爆管炉管已发生严重氧化，就近取炉管进行分析。炉管表面粗糙不平，可见黑色或黄褐色的腐蚀层，局部发生脱落后呈现凹坑，炉管壁厚有明显差别，背风侧厚度与原管接近，约为4mm，而迎风侧仅为2mm。炉管表面腐蚀层与金属基体的结合力较小，大多可用手剥落，腐蚀产物外表面呈红褐色，内部呈黑色，厚度为4～5mm不等，较厚的腐蚀层侧面可以观察到明显的分层现象[2]。
一次过热器和二次过热器的腐蚀产物主要为铁的氧化物和硫化物，其中铁的硫化物质量分数均在10%以上，说明过热器炉管存在硫腐蚀。对腐蚀产物进行化学成分分析腐蚀产物主要成分是铁的氧化物，其次为硫，折合成FeS质量分数在20%左右，说明炉管腐蚀主要以氧化和硫腐蚀为主。腐蚀产物剖面呈现明显的分层现象，由内到外依次可大致分为3层：
（1）最内层1颜色浅，比较致密;
（2）中间层2颜色较最内层1更深一些，但是结构比较疏松，内部孔隙较多;
（3）最外层3颜色最深，结构最为疏松。
经能谱分析，最内层1和中间层2元素组成类似，主要为铁、硫、氧等元素，而最外层3除了这3种元素外，还有少量钠、硅、钙、钛、氯等元素，推测其主要来自焦炭灰分。通过对管壁腐蚀产物开展物相、化学成分、微观形貌等分析，可知炉管外侧发生了硫腐蚀和氧化[3]。
2干熄焦锅炉炉管失效机理分析
2.1超温加剧炉管氧化和硫腐蚀
一方面，蒸汽与高于400℃的铁接触时，将发生反应生成Fe3O4而在700℃以下时SO2与铁反应速率较小;另一方面，对风机后循环气体成分进行检测，O2和SO2体积分数均在0.1%左右，而O2分子结构尺寸为0.346nm，SO2分子为0.41nm，N2分子为0.36nm，可见，O2分子较SO2分子更容易进入晶界。因此，在温度不太高（低于500℃）时，炉管更容易被氧化，而非硫腐蚀[4]。这就解释了长寿命炉管发生的现象，即长寿命炉管耐磨层发生了氧化和硫腐蚀，而近基体层及基体内部仅发生了轻微氧化。随着温度升高，SO2与铁反应速率逐渐变大，700℃以上时开始明显加快，在700～1000℃范围内该反应遵循抛物线规律。由于短寿命炉管存在超温现象，且温度越高，硫腐蚀反应越剧烈。这也解释了短寿命炉管发生的现象，即短寿命炉管耐磨层、近基体层以及基体内裂纹均发生了较为严重的硫腐蚀和氧化。
2.2超温产生原因分析
影响炉管表面温度的因素有锅炉入口循环气体温度、炉管内过热蒸汽温度、炉管表面积灰厚度以及高温循环气体中粉尘量[5]。
（1）一般情况下，锅炉各项工艺指标严格按照规定控制，由锅炉入口循环气体温度和炉管内蒸汽温度控制不当而引起超温的可能性较小。
（2）炉管表面积灰。随着炉管表面积灰增厚，锅炉内辐射系数和对流传热系数均降低，故总传热系数将降低。炉管表面积灰厚度增大时，积灰表层温度增大，而炉管基体表面温度却降低。
（3）高温粉尘冲刷。干熄焦循环气体中含有大量粉尘，质量浓度约为12～14g/m3，其温度与循环气体温度（850～960℃）大体一致。若重力除尘效果较差，将会导致大量粉尘尤其是相当数量的大颗粒随循环气体一起冲刷炉管，不仅可造成炉管减薄，还会导致炉管表面温度升高，随着粉尘质量浓度和粒度增大，颗粒与管束的碰撞频率提高，同时传热效率也得到提高[6]。
2.3失效机理
通过以上分析，可得出短寿命炉管失效原因为硫腐蚀/氧化+高温粉尘冲刷，失效过程：
（1）循环气体中O2和SO2首先进入耐磨层进行氧化和硫腐蚀。
（2）当除尘效果变差时，大量高温粉尘冲刷炉管，不仅导致耐磨层减薄，还导致炉管表面局部温度升高，进一步导致炉管内侧、外侧的氧化保护膜遭到破坏。一方面加剧了炉管外侧的腐蚀，另一方面导致炉管内侧产生脱碳现象，致使炉管性能下降[7]。
（3）炉管外侧保护膜被破坏后，循环气体中O2和SO2穿过耐磨层，继续腐蚀近基体层。
（4）随着炉管性能下降，大量高温粉尘尤其是大颗粒继续冲刷炉管，导致其内部产生裂纹，一部分O2和SO2穿过耐磨层和近基体层，进入裂纹内腐蚀。
（5）长时间的高温粉尘冲刷导致炉管严重减薄，当炉管某处遭受冲刷及腐蚀较剧烈时，耐磨层和腐蚀产物层均被冲刷掉，暴露出基体金属，O2和SO2可轻易地腐蚀炉管基体。由于腐蚀产物质地疏松，在烟尘冲刷等外力作用下极易脱落，并暴露出金属，重复发生以上过程，最终导致爆管[8]。
3结论
（1）短寿命炉管失效原因为硫腐蚀/氧化+高温粉尘冲刷。
（2）控制炉管表面温度，可控制硫腐蚀和氧化，提高炉管使用寿命。
（3）减少循环气体中粉尘量尤其是大颗粒，可有效减弱高温粉尘冲刷以及控制炉管表面温度，是提高炉管使用寿命的重要措施。
参考文献：
[1]刘京雷， 廖礼宝， 徐宏. 干熄焦余热锅炉蒸发器炉管失效分析及对策[C]// 中国化工学会2008年化工机械年会. 中国化工学会， 2008.
[2]王铁军， 王晓峻， 王建宽. 干熄焦锅炉炉管破损原因及处理措施[J]. 冶金设备， 2010（S1）：101-102.
[3]陈科伟. 干熄焦余热锅炉寿命分析及对策[J]. 工业锅炉， 2014， 000（005）：55-57.