余热锅炉管束失效原因分析与对策王靖亭（重油催化车间）摘要：2007年期间重催车间余热锅炉因管束泄漏多次发生停炉事故，严重影响装置平稳生产，造成了很大的经济损失，2008年以来采取了多种有效措施，延长了余热锅炉的运行周期本文详细分析了锅炉管束腐蚀机理，分析了蒸发器管束泄漏的原因；探讨了余热锅炉腐蚀泄漏防止对策及锅炉高效运行的方案和措施；为同类装置余热锅炉长周期运行提供参考关键词：余热锅炉 失效 原因 对策1 前言中石油天然气锦西石化分公司180万吨/年重油催化裂化装置余热锅炉，2005年8月建成投运后，经近二年的运行，为公司创造了良好的经济效益该余热锅炉主要利用催化装置生产过程中产生的高温一再烟气、二再烟气，再燃烧一部分瓦斯，产出3.8MPa，430℃的中压蒸汽，除用于驱动汽轮机、富气压缩机外，还部分外送中压蒸汽管网该余热锅炉与催化装置的外蒸发器（外取热器、油浆蒸发器）共同组成蒸汽发生系统，除本身自产中压蒸汽外，同时向外蒸发器提供热水、过热外蒸发器产生的同参数饱和蒸汽该催化装置已经运行多年，经扩能改造后，由于装置产出的再生烟气组分发生变化，再加上锅炉结构设计本身也存在一些问题，目前该余热锅炉在运行中存在下列问题： 1.1排烟温度偏高目前，锅炉的排烟温度为280℃，大大超过了设计的177℃，排烟温度过高有两种可能：一是由于露点腐蚀或受热面结构不合理导致的尾部积灰比较严重，大大降低了管内外的换热，导致排烟温度不断升高。
二是受热面面积不够，不能充分吸收烟气热量，大量烟气热量延后，导致尾部排烟温度过高，造成严重余热浪费，锅炉运行效率低，降低了装置安全稳定运行经济效益1.2省煤器入口给水温度偏低目前，实际运行中2#低温省煤器入口给水温度为114℃，通常露点温度约为120℃～140℃，省煤器存在酸露点腐蚀的隐患1.3蒸汽过热能力不足目前中压蒸汽温度为380℃，远远低于设计值450℃，导致部分中压饱和蒸汽只能串入低压蒸汽管网，造成高品质能量浪费大大影响了正常的生产，锅炉运行效率低1.4烟气侧运行阻力大在锅炉实际运行中，烟气侧运行阻力偏大，炉膛（燃烧室）压力偏高导致部分烟气经过旁路排出烟囱，浪费了大量的热量并污染了环境1.5水保护段管子变形严重，蒸发器管子经常腐蚀穿孔泄漏由于余热锅炉进口温度较高及热辐射强度较大，使得水保护段管子容易超温、变形；另外，蒸发器管子在运行过程中容易穿孔、泄漏，导致余热锅炉经常停炉维修表1为近几年来锅炉停炉检修状况表：表1 锅炉检修状况表检修时间检修类型检修内容2005.12.17~12.24非计划检修前置蒸发器堵管3根，炉顶衬里修补2.6m22006.4.23~4.27非计划检修前置蒸发器堵管3根，炉管出入炉墙膨胀节改为填料函式2007.6.10~6.14非计划检修蒸发段上锅筒处堵管14根失效原因为腐蚀2007.11.29.14:00~12.1.14:30非计划检修蒸发段上锅筒处堵管10根 吹灰器更换3根 上锅筒有一条焊缝漏,炉管在直管段有四处管线漏,吹灰器基本完好.失效原因为腐蚀。
2008.3.25~3.262008.10.7~10.9非计划检修非计划检修前置蒸发器堵管2根,吹灰器良好,炉管积灰严重.管子失效原因为管子存在旧缺陷，非腐蚀因素引起蒸发器管束堵管1根，失效原因为管子本身缺陷非腐蚀原因引起的从表1可看出，水保护段管子严重变形是基于操作严重超温造成的；而蒸发段的管束泄漏严重，严重了影响了装置平稳生产鉴于以上存在的问题，为提高余热锅炉的再生烟气余热回收能力，降低装置能耗，使装置长周期、高效、安全、稳定运行，提高装置经济效益，针对性地提出了余热锅炉优化操作、水质处理技术、余热锅炉前置蒸发器材质升级、蒸发器管束结构技术改造和综合节能技术改造等高效优化改造方案2 炉管泄漏原因分析2.1炉管腐蚀因素催化装置余热锅炉管束腐蚀失效的因素很多，有必要将系统水中含盐量、温度、PH值、溶解氧、流速作为腐蚀因素进行试验研究，以便确定主要腐蚀因素由于腐蚀并不是由某一因素单独引起的，它是受众多因素的综合作用而发生和进行的各种因素相互影响，错综复杂，不可能用一种简单的化学方程式或反应机理概括其全过程为了考证某种因素对腐蚀速度的影响程度，采取固定其它条件而改变一种因素的方法进行试验研究。
以下为炉管腐蚀因素2.1.1含盐量对腐蚀速度的影响随着含盐量的升高，水的电导能力增强，腐蚀速度随之加快由于该系统含盐量在43 682mg/L之间，含盐量较低，故对碳钢腐蚀性很小，腐蚀曲线呈平缓状态因此，含盐量不会成为该系统腐蚀的主要因素2.1.2 PH值对腐蚀速度的影响溶液PH值对金属的腐蚀速度会产生很大的影响，当PH值大于9.8时，PH值对腐蚀速度的影响不大，PH值越低对碳钢腐蚀速度的影响程度越大2.1.3溶解氧对腐蚀速度的影响溶解氧对腐蚀速度的影响起着重要作用溶解氧的浓度增大时，氧的极限电流密度将增大，氧离子化的反应的速度也将增大，因而氧去极化腐蚀的速度要随着增加同时，阴极极化曲线的起始电位要适当正移，氧的极限扩散电流密度也要相应增大，腐蚀电位将移向正方，腐蚀速度增大可见，腐蚀速度随着溶解氧含量的增加而急剧增大因此，水中溶解氧对锅炉炉管管线腐蚀影响很大2.1.4温度对腐蚀速度的影响在密闭的条件下，金属的腐蚀速度随温度的升高而加快，并且水中溶解氧含量越高，腐蚀速度随温度升高而加快的趋势越大这是因为，温度升高将使氧的扩散过程和电极反应速度加快，因此在一定的温度范围内，腐蚀将随温度的升高而加快，但温度的升高的相反效应是使氧的溶解度降低，这将使腐蚀速度降低，而在密闭系统中，温度升高使气相中氧的分压增大，氧的分压增大将增加氧的溶解度，这就抵消了温度升高使氧的溶解度降低的效应，因此腐蚀速度将一直随温度的升高而增加。
因此，在含有溶解氧的系统中温度升高是促进腐蚀的原因之一2.1.5流速对腐蚀速度的影响在溶解氧较低的系统中，流速对水质的腐蚀速度影响很小在含有溶解氧的系统中流速较低时，金属的腐蚀速度随着水流速度的增加而增加这是因为氧的浓度一定的条件下，极限扩散电流密度与扩散层厚度S成反比溶液的流速越大，扩散层厚度越小，氧的极限扩散电流密度就越大，腐蚀速度也越大在水的层流区内，腐蚀速度随溶液的缓慢增加而上升;当从层流转为湍流时，腐蚀速度急剧上升在湍流区内，开始时腐蚀速度随溶液流速很快上升，但当氧的极限扩散电流密度由于流速增加到一定程度，以至于阴极极化曲线不再与阳极极化曲线在氧的扩散控制区相交时，腐蚀速度不在随流速增加当流速进一步增加到很大程度时，在高速流体作用下金属将发生空泡腐蚀，腐蚀速度将再次随流速而增加可见，流速对含有溶解氧的水质腐蚀速度影响较大2.2炉管腐蚀机理通过对系统中的含盐量、PH值、溶解氧、温度和流速的测定分析，水中的溶解氧对系统的腐蚀影响最大，此外腐蚀速度随着温度的升高和流速的加快而增大，由于除氧采用了热力除氧，除氧效果不好，现场测定为50ppb，严重超标这为锅炉系统管束氧腐蚀提供了充分条件，因此氧腐蚀是余热锅炉内腐蚀的主要原因，在温度和流速一定的条件下，水中氧含量越高，对金属的腐蚀性影响越大。
水中含用溶解氧，将成为腐蚀反应阴极过程中的去极化剂，因此，氧腐蚀又称为氧去极化腐蚀温度和流速的因素又加速了氧腐蚀，从现场腐蚀图片可看出，炉管腐蚀泄漏部位发生在蒸发器第一排管束进入上锅筒前的管线弯角处，使汽液分层，产生冲击腐蚀穿孔氧腐蚀的主要特征是溃疡腐蚀，腐蚀的产物是疏松的，没有保护性腐蚀产物一旦在金属上生成，使得溶解氧向腐蚀点扩散速度减慢，当腐蚀点中的氧浓度低于周围浓度时，形成活化一钝化电池，腐蚀点为阳极，其周围为阴极，则成为大阴极小阳极结构，这时腐蚀继续向深处发展腐蚀所产生的亚铁离子通过疏松的二次产物层向外扩散，遇到水中的氢氧根离子和氧气，又形成新的二次产物，积累在原有二次产物层中，越积越厚导致鼓包最终形成鼓包下面的金属越腐蚀越深，形成蚀坑则腐蚀外观表现为大面积不均匀溃疡腐蚀这与现场实际腐蚀结果基本一致炉管腐蚀外观如图1氧腐蚀的反应机理如下：阳极过程：Fe→Fe2++2e阴极过程：1/2O2+H2O+2e→2OH-腐蚀电池反应：Fe+1/2O2+H2O→Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3图1 蒸发器管束腐蚀泄漏现场状况2.3锅炉供水质量不好锅炉的水质管理是锅炉运行状况的关键。
除了在设备方面解决炉管泄漏之外，在锅炉炉水管理上也是非常必要的和重要的同时国家节能减排指导方针也促使该项目的实施的必要因此必须进行锅炉炉水的水质处理重催车间锅炉炉水现状为：氧含量50ppb，严重超标15ppb；PH值8-9，较标准9-11偏离大2.4锅炉结构设计不合理从历次锅炉炉管失效状况可知，蒸发器靠近上锅筒第一排管子泄漏比较严重，经初步检查确定，泄漏发生在管线变向部位，造成汽液分离，产生冲蚀，管束内流体流速低，造成了取热过大，汽液在未进锅筒就发生分离，造成冲击2.5再生烟气腐蚀性再生烟气中含有CO、CO2、SO2、SO3等，在有水蒸汽的条件下，少部分的SO3蒸汽在温度达到露点时，在管壁凝结，造成浓硫酸的聚集，造成了对设备的腐蚀2.6炉管内壁结垢，外壁粘结催化剂由于再生烟气中含有大量催化剂粉尘，存在着静电积灰（含催化剂粉末）现象，严重影响了换热管束的取热，降低了换热效果，造成管壁温度降低，易形成烟气露点腐蚀3 对策与建议3.1加强平稳操作确保除氧器温度大于104度，在2008年3月25日，在锅炉检修期间，更换了除氧器除盐水喷头20个，对除氧器内壁彻底清扫杂物严格控制锅炉进口烟气温度不超标，温度不大于900度。
3.2采用新技术进行水质处理为了解决重油催化车间锅炉炉水PH值超标、氧含量严重超标、炉管经常泄漏、防止炉水结垢引起管过热爆裂、蒸汽品质差、含盐较高的蒸汽对气压机造成的威胁、减少排污率，实现节能减排的目的，2008年7月利用伊维普特工业技术有限公司的EWPT-6350W及EWPT-6206新型炉水处理剂，使用至今，效果明显车间加药前后锅炉水平均分析数据对比见表2表2重油催化车间加药前后锅水平均分析数据对比参数油浆汽包1油浆汽包2外取热汽包3汽包4（余热炉）PO43-ppm用药前1.511.31.152.07用药初期1.491.181.061.98用药中期1.71.151.182.02用药后期0.860.810.760.79SiO2ppb用药前8.098.377.467.96用药初期6.857.537.086.91用药中期5.876.176.126.00用药后期6.636.356.486.21锅水PH用药前8.538.488.48.42用药初期10.429.459.210.44用药中期10.299.469.2810.2用药后期9.99.949.919.89乙烯厂锅水氧含量ug/l用药前50505050用药初期40404040用药中期20202020用药后期15151515用药后锅水氧含量由7mg/l降低到15ppb，锅水PH值由8-10提高到9-11。
SiO2,ppb值由6.7降低到6计算因提高浓缩倍数而降低排污率的直接费用（排污损失为90元/吨）：余热锅炉原浓缩倍数为13.3，排污率为8%，现浓缩倍数为25，排污率为4%，解决费用为：每天：200（t/h）*(8.4)%*90*24=17280元每天的技术使用成本：200（t/h）*15（mg）*(49.3*63.0)(元/KG)*24/1000=8085元每天节约9195元，一年节约330万元锅炉使用新型水质处理剂，具有以下优点：l 对锅炉内部无腐蚀；l 使用后锅炉炉水PH值得到了稳定的控制，并符合国家标准和石化标准规定的9-11；l 加入锅炉炉水除氧剂后明显的降低炉水氧含量原溶解氧浓度为50mg/l，使用后达到15 mg/l，达到了石化标准规定l 提高了锅炉蒸汽的PH，稳定了锅炉的蒸汽品质l 使用期间，从本厂和伊维普特现场记录的数据和现场观察来看，对炉管表面原有垢层产生了显著的剥离和分散作用；有效抑制垢的生成，防止炉管结垢问题的产生；l 有效消除泡沫，减少炉水气沫夹带现象；l 减少沉积物的产生，从而提高换热效果，提高过热蒸汽的温度，提高发汽量，节省能源；l 对铁有良好的分散性能，控制铁沉积物的产生；l 对硅用良好的增溶性能，减少聚合硅的产生；l 液体型产品，无毒，使用操作安全。
3.3前置蒸发器技术改造为了提高锅炉进口烟气温度，回收再生烟气全部并进余热锅炉，对原锅炉前置蒸发器进行材质升级，由20G升级为15CrMo此模块已经准备完毕，准备在装置大修期间安装使用3.4蒸发器技术改造整体更换蒸发器管束192根，取消第一排管束，把第二排管束由翅片更改为光管，其他管束原样更换目的是为了增加管束内流体的流速，降低管束管壁温度，相应的提高管硬度，抑制蒸发器管束腐蚀，2008年以来，在第一排管束堵上之后，从锅炉检修看出，2008年的锅炉炉管泄漏失效原因，并非是由于腐蚀冲刷引起，而是由于管子本身的缺陷或制造缺陷准备在装置大修期间进行蒸发器管束更换技术改造实施3.5吹灰器技术改造吹灰器由激波吹灰器改为伸缩式蒸汽吹灰器，从现场使用情况看，激波吹灰器吹灰效果并不明显，吹灰器经常被高温烟气烧坏，寿命一个月，排烟温度达到400度为了综合利用烟气热量，通过其他炼厂调研，伸缩式吹灰器吹灰效果良好，避免了吹灰器的过烧现象2008年，新型伸缩式吹灰器已备好8台，准备在装置检修期间进行吹灰器的技术改造实施3.6综合节能技术改造2008年上海七一一所对锅炉整体热负荷重新计算，结构重新设计，新增低低温过热器和省煤器模块，提高余热利用。
通过更换前置蒸发器及高温过热器模块，提高管子材质以解决前置蒸发器管子超温；通过更换蒸发器模块及管排结构以解决管子运行中发生气蚀等问题，上述的局部设备更换并不能解决余热锅炉目前运行存在的排烟温度过高，过热蒸汽温度偏低等问题，并不能提高余热锅炉低运行性能，针对余热锅炉运行存在的问题，本次技术改造达到以下目的：l 降低余热锅炉排烟温度，提高余热锅炉效率，降低装置能耗；l 提高过热蒸汽的出口温度，使得全部饱和蒸汽过热至420℃以上；l 采取有效的措施，提高省煤器进口水温，消除省煤器低温露点腐蚀，确保余热锅炉长周期、安全高效运行根据该锅炉的结构特点，以及锅炉运行的再生烟气参数和燃烧情况，通过热力计算和受热面的重新核算余热锅炉进行节能技术改造后，排烟温度降低从目前307℃至180℃，比改造前降低了127℃左右，多回收热量11077kw，可多产中压过热蒸汽13.45t/h，中压蒸汽价格以120元/吨，每年可增加经济效益1356万元另外，锅炉改造完成后，提高了过热蒸汽的温度，改善汽轮机工作状况，提高汽轮机效率；同时，通过提高省煤器的上水温度，消除了省煤器的低温露点腐蚀，节省了因省煤器低温腐蚀所产生的停炉检修费用，也可为工厂创造可观的经济效益。
本技术改造现已经设计完毕，正在设备制造期间，准备于装置大修期间安装实施4 结论4.1 余热锅炉蒸发器管束泄露失效的主要原因是汽化冲刷与氧腐蚀联合作用，抑制措施为控制锅炉炉水融解氧浓度小于15ppb，增加管内流体速度，减少液体汽化冲击4.2 利用伊维普特工业技术有限公司的EWPT-6350W及EWPT-6206新型炉水处理剂能有效的降低炉水融解氧含量，调节锅炉炉水PH值、炉管经常泄漏、防止炉水结垢引起管过热爆裂、提高蒸汽品质4.3 激波吹灰器吹灰效果并不明显，且吹灰器管件易被烧毁使用伸缩式吹灰器吹灰效果良好，避免了吹灰器的过烧现象4.4 抑制蒸发器管束泄漏失效另一措施是优化管束结构4.5 提高烟气进炉温度措施之一是前置蒸发器材质升级参考文献1 石油化工设备检修规程 中国石化出版社2 刘小辉 炼油装置设备的腐蚀检测 石油化工腐蚀与防护3 闫铁伦 炼油装置设备腐蚀与防护（二） 石油化工腐蚀与防护作者简介：王靖亭 男 1972年2月出生，1994年毕业于大连理工大学，硕士学位，现工作于锦西石化分公司重油催化车间从事设备管理工作，高级工程师。