閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管的失效分析與對策

　安全分析閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管的失效分析與對策何滿杰1，蔡善祥（1 .金隆銅業有限公司，安徽銅陵244021 2.合肥通用機械研究所，安徽合肥230031）對閃速爐廢熱鍋爐水冷壁管爆裂原因進行分析，確認爆裂是由低溫硫酸露點腐蝕和煙氣沖刷磨蝕引起。實踐證明，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備，銅冶煉過程中的高溫煙氣通過廢熱鍋爐回收余熱，稱閃速爐廢熱鍋爐，它是有色冶金行業的關鍵冶煉設備之一。而水冷壁管（以下簡稱爐管）又是該設備的關鍵部件，也是極易發生失效的主要組合件。由于爐管長期在高溫、高壓下工作，管壁受到高溫煙氣低溫露點腐蝕和煙塵金屬微粒沖刷磨蝕等作用，會發生各種形式的破壞和失效。某公司一臺閃速爐廢熱鍋爐自1997年安裝竣工并投入使用以來，爐管每年出現5～7次爆裂，嚴重影響了安全生產。本文針對閃速爐廢熱鍋爐爐管爆裂失效進行分析，提出解決措施和對策，并對其實施Ni Cr合金熱噴涂。熱噴涂后的爐管運行正常。該閃速爐廢熱鍋爐技術特性。

　　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流動的介質為鍋爐給水，爐管間流動的介質為高溫煙氣。外觀檢查發現，爐管損壞的部位位于吹灰器入口附近（見圖1）和入煙口U形彎處（見圖2）。其發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，裂紋斷口呈脆性開裂（見圖3）。

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

　　項目殼程管程介質高溫煙氣鍋爐給水蒸發量（t/ h）最高工作壓力（MPa）入口煙氣量（Nm進口/出口煙氣工作溫度（℃）循環水溫度（℃）水冷壁管（爐管）規格（mm）材質煙氣入口尺寸（mm）爐膛尺寸（mm）吹灰器溫度（℃）吹灰器周圍密封空氣溫度（℃）煙氣成分分析結果名稱煙塵組分（Wt ）煙氣含塵量分析結果通常情況下，煙氣中水蒸汽的分壓為0.1 MPa左右，煙氣的露點溫度在30～60℃之間。從表2可知，高溫煙氣中含有SO和H約有與高溫煙氣中水蒸汽化合形成硫酸蒸氣，這時把露點溫度提高到90～180℃，稱為煙氣露點溫度，即煙氣露點溫度隨SO含量增加而升高。經測定，閃速爐廢熱鍋爐煙氣露點溫度為℃。當設備開車初期及停工降溫過程中，爐內溫度較低或吹灰器吹出40～45℃低溫壓縮空氣區及吹灰器周圍密封空氣溫度（200℃）等均低于煙氣露點溫度，此時硫酸蒸氣在低溫區域爐管表面冷凝，生成稀硫酸，產生低溫硫酸露點腐蝕。另一方面，高溫煙氣中的SO與水蒸汽化合生成H再與O結合也同樣生成稀H 4，在低溫區域產生硫酸露點腐蝕。硫酸露點腐蝕產物凝結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。反應方程式如下硫酸對金屬的腐蝕生成FeSO硫酸露點腐蝕對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進一步反應，生成Fe對SO向SO的轉化過程中有催化作用，當pH值低于3時，Fe本身對金屬腐蝕生成FeSO 4，于是形成FeSO的腐蝕循環，大大加快腐蝕進程。

　　（2）沖刷磨蝕失效從表3可知，高溫煙氣中煙塵量高達135.6 3，煙塵在高速流動的煙氣中對爐管表面產生沖刷和磨蝕作用，導致爐管壁厚減薄，在較高壓力循環水的作用下，產生爐管爆裂。

　　3采取的措施與對策該爐管在生產過程中頻繁發生爆裂失效，搶修的唯一辦法是短路堵管（見圖4），此辦法雖暫時解決爐管爆裂泄漏，但卻帶來下列問題：（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，造成爐管局部熱應力增大，易使爐管之間連接焊縫產生疲勞熱裂紋，加快了爐管的爆裂失效。

　　根據爐管失效分析，解決爐管爆裂的主要措施是防止低溫硫酸露點腐蝕和煙氣沖刷磨蝕問題。在調研的基礎上，結合日本某冶煉廠生產的成功經驗，對爐管外表面（煙氣側）采用熱噴涂技術。

　　熱噴涂在國內銅冶煉閃速爐廢熱鍋爐的應用尚屬首例，它是一種表面強化技術。它利用電弧、等離子弧、燃氣―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熔滴或高溫顆粒，以一定的速度噴到經過預處理基體表面，根據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，增加涂層材料對爐管的結合力，同時也降低熱噴涂后爐管的變形和應力集中。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內進行熱噴涂2）噴槍的粉末射流與爐管表面以垂直角度進行噴涂3）噴槍與爐管表面距離宜在100～150 mm之間4）熱噴涂過程中，噴槍必須不斷地勻速移動，不能長時間停留在某一個部位噴涂，防止爐管表面過熱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，即開口狀態孔隙（孔隙由涂層內部通向涂層表面）和閉口狀態孔隙（在涂層內部分散存在），達到耐硫酸露點腐蝕和煙氣中煙塵顆粒的沖刷磨蝕。根據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，對閃速爐廢熱鍋爐其中6臺吹灰器入口處附近1 m范圍內低溫區爐管進行熱噴涂試驗，效果較好。所以，在2000年5月大修期間，又對30臺吹灰器入口處附近1 m范圍內低溫區爐管進行熱噴涂，至今未發生爐管爆裂。

　　（2）2001年5月大修期間，對入煙口更換的新爐管和部分壁厚減薄1～2 mm的舊爐管分別進行熱噴涂，使用至今未發生爐管爆裂。

　　（3）2002年5月大修期間，經當地鍋檢所檢驗，熱噴涂的爐管未發現管壁厚度減薄。

　　4結論（1）閃速爐廢熱鍋爐頻繁發生爐管爆裂失效，主要是爐管壁溫低于煙氣露點溫度，硫酸蒸汽在低溫區冷凝生成稀硫酸，產生硫酸露點腐蝕和高溫煙氣中煙塵金屬微粒的沖刷磨蝕導致爐管壁厚減薄等的綜合作用結果。

　　（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，能有效防止高溫煙氣低溫區硫酸露點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行正常。