煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過熱器列管失效分析及防范措施

瞿 磊，李佐鵬，王軍龍，王 濤，丁海洋，李文虎，張 博

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500）

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司煤、油、氣資源綜合利用啟動(dòng)項(xiàng)目位于陜西省靖邊縣能化園區(qū)，啟動(dòng)項(xiàng)目主要以煤、天然氣、渣油為原料生產(chǎn)聚烯烴產(chǎn)品，包含 180 萬 t/a 甲醇聯(lián)合裝置、150 萬 t/a 渣油催化裂解（DCC）裝置、4×30 萬 t/a 聚烯烴裝置、9 萬 t/a甲基叔丁基醚（MTBE）裝置等8 套主裝置，整個(gè)項(xiàng)目于2014 年7 月底實(shí)現(xiàn)一次性開車成功，目前各裝置運(yùn)行穩(wěn)定。

甲醇聯(lián)合裝置在設(shè)計(jì)過程中采用“碳?xì)浠パa(bǔ)”機(jī)理，裝置考核鑒定結(jié)果表明，該裝置較行業(yè)平均水平能源轉(zhuǎn)化效率提高16.88%，碳資源利用率提高17.74%，單位產(chǎn)品綜合能耗降低15.50%以上，水耗降低70.33%以上，CO2減排60.38%，單位產(chǎn)品甲醇綜合能耗1.20 tce/t(35.17 GJ)、單位產(chǎn)品 CO2排放 1.03 t/t，節(jié)能減排效果顯著。2019 年甲醇聯(lián)合裝置在年度大檢修過程中發(fā)現(xiàn)變換系統(tǒng)蒸汽過熱器705E02 出現(xiàn)列管泄漏情況，而且泄漏量較大，導(dǎo)致該換熱器無法繼續(xù)使用，后對換熱器列管失效原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的防范措施。

1 煤氣化變換工藝流程

煤氣化變換系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖1。由氣化裝置來的粗煤氣經(jīng)氣液分離器（705V01）分離掉氣體夾帶的水分后，一部分粗煤氣進(jìn)原料氣預(yù)熱器（705E01）管程與變換氣換熱至305 ℃左右進(jìn)入變換爐（705R01），與自身攜帶的水蒸氣在耐硫變換催化劑作用下進(jìn)行變換反應(yīng)，出變換爐的高溫氣體進(jìn)入原料氣預(yù)熱器（705E01）殼程與進(jìn)變換爐的粗煤氣換熱，出原料氣預(yù)熱器（705E01）殼程的變換氣溫度約384 ℃，進(jìn)入蒸汽過熱器（705E02）后，將變換裝置副產(chǎn)的1.0 MPa(G)飽和蒸汽過熱至250 ℃，送至蒸汽管網(wǎng)，自身溫度降至241 ℃并與未變換的粗煤氣混合后，進(jìn)入后續(xù)工段進(jìn)行回收熱量和脫氨操作。

圖1 煤氣化變換系統(tǒng)工藝流程示意圖

蒸汽過熱器（705E02）為U 型管式換熱器，列管采用 06Cr18Ni11Ti（S32168）材質(zhì)，規(guī)格為 Φ25 mm×2 mm。殼程介質(zhì)為壓力1 MPa 的低壓蒸汽，管程介質(zhì)為壓力5.8 MPa、溫度384 ℃的變換氣。蒸汽過熱器管程進(jìn)口變換氣成分見表1。

表1 蒸汽過熱器管程進(jìn)口變換氣成分 %

2 列管失效原因分析

抽出蒸汽過熱器（705E02）列管后發(fā)現(xiàn)，在列管外表面有較多點(diǎn)蝕坑，并有開裂現(xiàn)象，為進(jìn)一步分析列管失效原因，對列管分別進(jìn)行了金相組織、化學(xué)分析、掃描電鏡、能譜分析等實(shí)驗(yàn)。

2.1 金相組織實(shí)驗(yàn)

采用定量金相學(xué)原理，通過二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計(jì)算來確定合金組織的三維空間形貌，以此來對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，從而確定材料的內(nèi)部缺陷。列管試樣的金相圖見圖2。

圖2 列管試樣的金相圖

由圖2 可知，列管上有多處從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的垂直裂紋，裂紋分支少但貫穿整個(gè)管壁，造成泄漏。觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋多起源于外壁缺陷或點(diǎn)蝕坑處，少量裂紋是從管壁內(nèi)部萌生，以穿晶形貌為主，從裂紋形態(tài)和走向觀察可發(fā)現(xiàn)具有較明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征。

2.2 化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)

蒸汽過熱器（705E02） 列管采用06Cr18Ni11Ti（S32168）材質(zhì)，為驗(yàn)證列管材質(zhì)是否合格，采用直讀光譜儀對列管試樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表2。

表2 化學(xué)分析結(jié)果 %

由表2 可知，試樣的成分基本滿足GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》對S32168材質(zhì)的要求，僅有P 含量一項(xiàng)未滿足。

2.3 掃描電鏡和能譜實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步觀察點(diǎn)蝕坑、裂紋形態(tài)及走向，分析點(diǎn)蝕及裂紋形成原因，進(jìn)行了掃描電鏡和能譜實(shí)驗(yàn)。列管試樣的掃描電鏡圖和能譜分析結(jié)果分別見圖3 和表3。

由圖3 可知，換熱管外壁存在大量點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑沿管體軸向分布，管體外壁的點(diǎn)蝕坑周圍存在未貫穿管壁整體的微裂紋，此類微裂紋沿管體軸向方向貫穿臨近的點(diǎn)蝕坑。通過分析發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生于外壁的點(diǎn)蝕坑，進(jìn)而擴(kuò)張至內(nèi)壁引發(fā)失效泄漏，斷裂形式為脆性斷裂。由表3 可知，裂紋源上的腐蝕產(chǎn)物含有O、Si、S、Cl、Ti、Cr、Ni 等元素。

圖3 列管試樣掃描電鏡圖

綜合以上實(shí)驗(yàn)可知，換熱器列管表面存在大量點(diǎn)蝕坑，并且大部分點(diǎn)蝕坑成為應(yīng)力腐蝕裂紋的源頭。點(diǎn)蝕是一種隱蔽性強(qiáng)、危險(xiǎn)大的局部性腐蝕，可引起不銹鋼設(shè)備點(diǎn)蝕穿孔。大部分不銹鋼設(shè)備的點(diǎn)蝕失效，都是由氯離子引起，通過對換熱器列管的能譜分析也發(fā)現(xiàn)了氯元素的存在。蒸汽過熱器（705E02）殼程主要介質(zhì)為來自低壓蒸汽發(fā)生器（705E03）的蒸汽，氯離子可能隨鍋爐上水進(jìn)入系統(tǒng)。

表3 列管試樣能譜分析結(jié)果 %

應(yīng)力腐蝕開裂是應(yīng)力與腐蝕共同作用的結(jié)果，此次失效的蒸汽過熱器（705E02），換熱管是在384 ℃、5.08 MPa 的環(huán)境中使用。列管采用奧氏體不銹鋼，由于氯離子存在，使基材表面形成點(diǎn)蝕坑，并且發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)蝕坑周圍也存在未貫穿管壁的微裂紋，此類微裂紋沿管體軸向貫穿臨近的點(diǎn)蝕坑，微裂紋產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，在溫度和環(huán)向應(yīng)力的共同作用下，引起應(yīng)力腐蝕開裂，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管失效。

3 防范措施

3.1 設(shè)備選型過程中應(yīng)根據(jù)工藝條件，合理選擇換熱器材質(zhì)，奧氏體不銹鋼在高溫堿液、氯化物水溶液、濃縮鍋爐水等介質(zhì)環(huán)境中極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，所以此類環(huán)境應(yīng)盡量避免使用奧氏體不銹鋼材料。

3.2 設(shè)備加工過程中，加工成型后應(yīng)進(jìn)行退火消除應(yīng)力，奧氏體不銹鋼一般在1 100 ℃左右進(jìn)行固溶處理，也可進(jìn)行噴丸處理等操作，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可有效避免應(yīng)力腐蝕。

3.3 變換系統(tǒng)蒸汽過熱器及其他換熱設(shè)備普遍采用奧氏體不銹鋼，運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，特別是鍋爐水中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過30 mg/L，防止氯離子腐蝕。

3.4 變換系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行排污，確保蒸汽發(fā)生器內(nèi)離子含量穩(wěn)定，防止氯離子在系統(tǒng)內(nèi)累積。

3.5 變換系統(tǒng)停車后應(yīng)將換熱器內(nèi)所有流體吹出，如有條件應(yīng)進(jìn)行充氮?dú)獗Ｗo(hù)，避免雜質(zhì)在列管表面沉淀，試壓過程中對試壓用水應(yīng)嚴(yán)格控制，防止氯離子進(jìn)入系統(tǒng)引起腐蝕。