閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管的失效分析與對(duì)策

　安全分析閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管的失效分析與對(duì)策何滿(mǎn)杰1，蔡善祥（1 .金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵244021 2.合肥通用機(jī)械研究所，安徽合肥230031）對(duì)閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管爆裂原因進(jìn)行分析，確認(rèn)爆裂是由低溫硫酸露點(diǎn)腐蝕和煙氣沖刷磨蝕引起。實(shí)踐證明，等離子熱噴涂及50Cr50Ni涂層能有效解決由此引起的爆裂失效問(wèn)題。

　　廢熱鍋爐水冷壁管爆裂Ni Cr合金熱噴涂1前言閃速爐是銅冶煉的主要設(shè)備，銅冶煉過(guò)程中的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)廢熱鍋爐回收余熱，稱(chēng)閃速爐廢熱鍋爐，它是有色冶金行業(yè)的關(guān)鍵冶煉設(shè)備之一。而水冷壁管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)爐管）又是該設(shè)備的關(guān)鍵部件，也是極易發(fā)生失效的主要組合件。由于爐管長(zhǎng)期在高溫、高壓下工作，管壁受到高溫?zé)煔獾蜏芈饵c(diǎn)腐蝕和煙塵金屬微粒沖刷磨蝕等作用，會(huì)發(fā)生各種形式的破壞和失效。某公司一臺(tái)閃速爐廢熱鍋爐自1997年安裝竣工并投入使用以來(lái)，爐管每年出現(xiàn)5～7次爆裂，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。本文針對(duì)閃速爐廢熱鍋爐爐管爆裂失效進(jìn)行分析，提出解決措施和對(duì)策，并對(duì)其實(shí)施Ni Cr合金熱噴涂。熱噴涂后的爐管運(yùn)行正常。該閃速爐廢熱鍋爐技術(shù)特性。

　　2爐管損壞部位、形式和失效分析2.1爐管損壞部位及形式閃速爐廢熱鍋爐爐管內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)為鍋爐給水，爐管間流動(dòng)的介質(zhì)為高溫?zé)煔�。外觀檢查發(fā)現(xiàn)，爐管損壞的部位位于吹灰器入口附近（見(jiàn)圖1）和入煙口U形彎處（見(jiàn)圖2）。其發(fā)生損壞的形式為吹灰器入口附近的爐管外壁存在蜂窩狀腐蝕坑，入煙口爐管U形彎壁厚明顯減薄，并伴有穿透性裂紋，裂紋斷口呈脆性開(kāi)裂（見(jiàn)圖3）。

　　2.2爐管爆裂原因分析（1）腐蝕失效煙氣的酸露點(diǎn)溫度為酸凝結(jié)速度與酸蒸發(fā)速度相等時(shí)的煙氣溫度，具體酸露點(diǎn)溫度值與煙氣成分有關(guān)。煙氣成分分析結(jié)果 ，煙氣含塵量及煙塵組分分析結(jié)果見(jiàn)表3.

　　項(xiàng)目殼程管程介質(zhì)高溫?zé)煔忮仩t給水蒸發(fā)量（t/ h）最高工作壓力（MPa）入口煙氣量（Nm進(jìn)口/出口煙氣工作溫度（℃）循環(huán)水溫度（℃）水冷壁管（爐管）規(guī)格（mm）材質(zhì)煙氣入口尺寸（mm）爐膛尺寸（mm）吹灰器溫度（℃）吹灰器周?chē)�密封空氣溫度（℃）煙氣成分分析結(jié)果名稱(chēng)煙塵組分（Wt ）煙氣含塵量分析結(jié)果通常情況下，煙氣中水蒸汽的分壓為0.1 MPa左右，煙氣的露點(diǎn)溫度在30～60℃之間。從表2可知，高溫?zé)煔庵泻�有SO和H約有與高溫?zé)煔庵兴�蒸汽化合形成硫酸蒸��，這時(shí)把露點(diǎn)溫度提高到90～180℃，稱(chēng)為煙氣露點(diǎn)溫度，即煙氣露點(diǎn)溫度隨SO含量增加而升高。經(jīng)測(cè)定，閃速爐廢熱鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度為℃。當(dāng)設(shè)備開(kāi)車(chē)初期及停工降溫過(guò)程中，爐內(nèi)溫度較低或吹灰器吹出40～45℃低溫壓縮空氣區(qū)及吹灰器周?chē)�密封空氣溫度�?00℃）等均低于煙氣露點(diǎn)溫度，此時(shí)硫酸蒸氣在低溫區(qū)域爐管表面冷凝，生成稀硫酸，產(chǎn)生低溫硫酸露點(diǎn)腐蝕。另一方面，高溫?zé)煔庵械腟O與水蒸汽化合生成H再與O結(jié)合也同樣生成稀H 4，在低溫區(qū)域產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕。硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)物凝結(jié)在爐管表面的特征為淺黃色夾雜蘭綠色， pH值范圍在1～3之間。反應(yīng)方程式如下硫酸對(duì)金屬的腐蝕生成FeSO硫酸露點(diǎn)腐蝕對(duì)金屬的腐蝕首先也生成FeSO 4，但在煙塵沉積物的催化作用下，與煙氣中的SO和O進(jìn)一步反應(yīng)，生成Fe對(duì)SO向SO的轉(zhuǎn)化過(guò)程中有催化作用，當(dāng)pH值低于3時(shí)，F(xiàn)e本身對(duì)金屬腐蝕生成FeSO 4，于是形成FeSO的腐蝕循環(huán)，大大加快腐蝕進(jìn)程。

　�。�2）沖刷磨蝕失效從表3可知，高溫?zé)煔庵袩焿m量高達(dá)135.6 3，煙塵在高速流動(dòng)的煙氣中對(duì)爐管表面產(chǎn)生沖刷和磨蝕作用，導(dǎo)致?tīng)t管壁厚減薄，在較高壓力循環(huán)水的作用下，產(chǎn)生爐管爆裂。

　　3采取的措施與對(duì)策該爐管在生產(chǎn)過(guò)程中頻繁發(fā)生爆裂失效，搶修的唯一辦法是短路堵管（見(jiàn)圖4），此辦法雖暫時(shí)解決爐管爆裂泄漏，但卻帶來(lái)下列問(wèn)題：（1）減小了爐管傳熱面積，提高了煙氣出口溫度，降低了熱效率（2）短路被堵的爐管與相鄰爐管受熱不一致，造成爐管局部熱應(yīng)力增大，易使?fàn)t管之間連接焊縫產(chǎn)生疲勞熱裂紋，加快了爐管的爆裂失效。

　　根據(jù)爐管失效分析，解決爐管爆裂的主要措施是防止低溫硫酸露點(diǎn)腐蝕和煙氣沖刷磨蝕問(wèn)題。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合日本某冶煉廠(chǎng)生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)爐管外表面（煙氣側(cè)）采用熱噴涂技術(shù)。

　　熱噴涂在國(guó)內(nèi)銅冶煉閃速爐廢熱鍋爐的應(yīng)用尚屬首例，它是一種表面強(qiáng)化技術(shù)。它利用電弧、等離子弧、燃?xì)猕D氧氣等形式的熱源將噴涂的涂層材料（金屬或非金屬）熔化或半熔化，并在氣流的作用下使之霧化成微細(xì)熔滴或高溫顆粒，以一定的速度噴到經(jīng)過(guò)預(yù)處理基體表面，根據(jù)選定噴涂材料性能形成具有某種功能的涂層。

　　3.1熱噴涂工藝（1）熱噴涂材料選用50Cr50Ni粉劑為熱噴涂材料（屬于熱噴涂材料Ni Cr合金的一種），該材料具有良好的高溫耐磨和耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能。

　�。�2）爐管外表面噴砂和清洗選用清潔、干凈的石英砂，用壓縮空氣將其噴射到爐管外表面，一方面清除爐管表面的氧化物、污垢等另一方面提高爐管表面粗糙度，增加涂層材料對(duì)爐管的結(jié)合力，同時(shí)也降低熱噴涂后爐管的變形和應(yīng)力集中。噴砂后爐管表面首先采用汽油清洗并吹干，再用酒精清洗、吹干，進(jìn)一步去除油脂、灰塵及殘留砂粒。

　�。�3）熱噴涂選用等離子噴涂法：1）噴砂和清洗后的爐管表面須在30 min內(nèi)進(jìn)行熱噴涂2）噴槍的粉末射流與爐管表面以垂直角度進(jìn)行噴涂3）噴槍與爐管表面距離宜在100～150 mm之間4）熱噴涂過(guò)程中，噴槍必須不斷地勻速移動(dòng)，不能長(zhǎng)時(shí)間停留在某一個(gè)部位噴涂，防止?fàn)t管表面過(guò)熱5）涂層厚度（4）涂層的封孔處理其目的是為了消除熱噴涂存在不同程度的孔隙，即開(kāi)口狀態(tài)孔隙（孔隙由涂層內(nèi)部通向涂層表面）和閉口狀態(tài)孔隙（在涂層內(nèi)部分散存在），達(dá)到耐硫酸露點(diǎn)腐蝕和煙氣中煙塵顆粒的沖刷磨蝕。根據(jù)50Cr50Ni涂層性能和閃速爐廢熱鍋爐操作工況（），選用含鋁煤焦油直接涂在清潔干燥的涂層表面，自然干燥后即可涂層封孔。

　　3.2熱噴涂效果（1）1999年5月大修期間，對(duì)閃速爐廢熱鍋爐其中6臺(tái)吹灰器入口處附近1 m范圍內(nèi)低溫區(qū)爐管進(jìn)行熱噴涂試驗(yàn)，效果較好。所以，在2000年5月大修期間，又對(duì)30臺(tái)吹灰器入口處附近1 m范圍內(nèi)低溫區(qū)爐管進(jìn)行熱噴涂，至今未發(fā)生爐管爆裂。

　�。�2）2001年5月大修期間，對(duì)入煙口更換的新?tīng)t管和部分壁厚減薄1～2 mm的舊爐管分別進(jìn)行熱噴涂，使用至今未發(fā)生爐管爆裂。

　�。�3）2002年5月大修期間，經(jīng)當(dāng)?shù)劐仚z所檢驗(yàn)，熱噴涂的爐管未發(fā)現(xiàn)管壁厚度減薄。

　　4結(jié)論（1）閃速爐廢熱鍋爐頻繁發(fā)生爐管爆裂失效，主要是爐管壁溫低于煙氣露點(diǎn)溫度，硫酸蒸汽在低溫區(qū)冷凝生成稀硫酸，產(chǎn)生硫酸露點(diǎn)腐蝕和高溫?zé)煔庵袩焿m金屬微粒的沖刷磨蝕導(dǎo)致?tīng)t管壁厚減薄等的綜合作用結(jié)果。

　�。�2）Ni Cr合金具有良好的耐腐蝕性能和耐磨性能。50Cr50Ni粉劑作為閃速爐廢熱鍋爐爐管的熱噴涂材料，能有效防止高溫?zé)煔獾蜏貐^(qū)硫酸露點(diǎn)腐蝕和煙氣中煙塵金屬微粒的沖刷磨蝕，較好地解決了爐管爆裂失效問(wèn)題，提高了爐管的使用壽命。熱噴涂后的閃速爐廢熱鍋爐爐管目前運(yùn)行正常。