一 案例背景
化工生产中的载体焙烧炉是生产过程中的关键设备,其炉筒在长时间高温、强腐蚀性介质的环境下运行,容易受到腐蚀损伤,最终导致炉筒断裂,影响生产安全。本案例将分析一起化工生产高温焙烧炉腐蚀减薄失效导致炉筒断裂的事故。
二
案例经过
某企业载体焙烧单元使用回转式高温焙烧炉,炉筒周长约6米,长度约20米。炉筒材质为日本进口的INCONEL 600镍基高温合金焊接而成,炉内抄料板材质为310S超级奥氏体不锈钢。焙烧炉工艺温度约为700~900℃。生产工况环境涉及氧化铝、硫(硫酸根、硫离子、二氧化硫)、磷酸根(偶尔)、硝酸(助剂)和水蒸汽等。在高温酸性硫环境下设备运行12个月,预焙烧段炉筒筒节离进料端1~1.5米处(长度约3米)腐蚀减薄严重,抄料板沿焊缝腐蚀开裂并频繁掉落。在设备运行18个月时,预焙烧段炉筒筒节发生本体脆裂,筒节外壁可见之字形裂纹,见下图所示。该事故导致非计划停工,仅更换炉筒段一次直接费用就三百多万元,考虑到炉筒断裂导致停产的间接损失更是不可设想。
三
高温硫腐蚀主要发生在焙烧炉筒的内部,当硫化物在高温下与炉筒材料(如不锈钢、合金钢等)接触时,会发生化学反应,生成硫化物膜。这种膜在应力作用下容易破裂,导致腐蚀介质直接接触到新鲜的金属表面,从而加速了腐蚀过程。随着时间的推移,炉筒壁厚会逐渐减薄,严重影响其结构完整性和使用寿命。
02
高温焙烧炉内部存在高温烟气,这些烟气中含有大量的腐蚀性物质,如氧气、氮氧化物、硫氧化、磷氧化物等。在高温条件下,这些腐蚀性物质与炉筒金属壁面发生复杂的物理化学反应,导致炉筒表面逐渐被腐蚀。
高温条件下物料中存在的酸性介质,特别硫(硫酸根、硫离子、二氧化硫)、磷酸、硝酸等腐蚀性介质。对于某些不锈钢材料,虽然在一定温度下具有一定的耐腐蚀性,但在长期高温酸性条件下仍可能发生严重的腐蚀,腐蚀速率随温度上升而显著增加。
烟气中的微量水蒸气与H2S结合生成酸,当炉筒表面的温度低于露点温度时,H2S的饱和蒸汽会凝聚成液体并吸附于炉筒表面,导致炉筒表面严重腐蚀。
载体焙烧过程中,硫化物的存在无法避免。当硫化物在高温高应力环境下与炉体材料接触时,就可能引发应力腐蚀。这种腐蚀通常发生在炉体的焊缝位置以及各部件的连接处,譬如材质为310S抄料板的焊缝。
选择更耐腐蚀的材料,如Inconel 625合金材料、哈氏合金C276材料、钛合金材料等。材料升级必然会带来企业设备成本显著增加,需综合考虑材质升级的性价比。
通过选择合适的焊条和焊接工艺优化,可以减少焊缝发生应力腐蚀开裂的几率。选用合适焊条并严格控制焊接电流和焊接速度;首道焊接氩弧焊打底,每道约3mm厚;焊接温度不要超过100℃,尽量减少焊接应力集中及焊缝材质发生改变。
采用无机陶瓷涂料层或高性能耐蚀陶瓷合金复合涂层对炉筒表面进行防腐处理,降低露点腐蚀的速度。
通过控制焙烧过程中的温度和气氛,减少硫化物的生成和积聚,从而降低应力腐蚀的风险。
通过加强烟气管理,降低烟气中腐蚀性物质,如氧气、氮氧化物、硫氧化、磷氧化物等的含量,减少烟气在预焙烧段的停留时间,从而减轻露点腐蚀和高温烟气腐蚀。
定期对炉筒的腐蚀情况进行监测和评估,通过人工检测、超声测厚等手段,及时发现和处理潜在的腐蚀问题。
化工生产过程中载体焙烧炉的腐蚀失效是一个复杂的过程,涉及多种腐蚀机理的共同作用。通过选择更耐腐蚀的材料、加强焊后热处理、表面防腐处理、加强工艺管理和烟气管理、定期监测与评估、加强设备的维护和检修等措施,可以有效预防和减少炉筒腐蚀失效的发生,确保化工生产生产装置的安全稳定运行。
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