氣化爐內(nèi)襯表面裂紋檢驗失效分析

毛國均* 黃 輝 秦敬芳

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院）

1 基本情況

寧波某化工企業(yè)的一臺氣化爐在投用9 年后的定期檢驗中發(fā)現(xiàn)，激冷室內(nèi)壁及接管角焊縫周圍堆焊層表面存在大量微裂紋及點蝕孔缺陷。裂紋呈Y 形或X 形, 長約為2～15 mm，點蝕孔徑≤3 mm 且互相不等，對點蝕坑底進(jìn)行滲透（PT）檢測后發(fā)現(xiàn)裂紋，打磨消除后實測點蝕孔深度為5 mm，具體形貌如圖1 所示，裂紋及點蝕孔出現(xiàn)的位置如圖2 所示。為了明確其失效原因并避免事故再次發(fā)生，采用相應(yīng)的理化分析、應(yīng)力分析手段進(jìn)行分析研究，氣化爐的主要技術(shù)參數(shù)可見表1。

2 金相檢驗

對氣化爐內(nèi)表面進(jìn)行金相檢驗，如果如圖3 所示。從內(nèi)表面內(nèi)襯表面的金相組織可以看出：（1）內(nèi)表面存在奧氏體+枝晶狀鐵素體及少量碳化物；（2）裂紋特性為沿晶擴(kuò)展，有少量穿晶擴(kuò)展，且呈樹枝狀，裂紋形貌具有典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征[1]。

3 能譜分析

圖1 內(nèi)襯宏觀及PT檢測顯示表面裂紋

圖2 缺陷位置示意圖（單位：mm）

對氣化爐溶液介質(zhì)元素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其中存在大量氯離子，其質(zhì)量濃度為200 mg/L，遠(yuǎn)高于GB150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的25 mg/L， 氯離子容易在垢下聚集，垢下氯離子質(zhì)量濃度比溶液中的氯離子高。

表1 氣化爐主要技術(shù)參數(shù)

圖3 內(nèi)表面金相形貌（100倍）

對出現(xiàn)裂紋密集區(qū)域的垢層進(jìn)行取樣及能譜分析，結(jié)果如圖4 和表2 所示。分析結(jié)果顯示，斷口腐蝕產(chǎn)物雖未發(fā)現(xiàn)氯元素，但垢層中含有大量硫元素。

圖4 垢層能譜分析結(jié)果

表2 垢層產(chǎn)物能譜分析 %

資料表明硫化物對氯離子導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂起促進(jìn)作用，根據(jù)內(nèi)襯的金相檢驗以及斷口腐蝕產(chǎn)物元素分析結(jié)果，可進(jìn)一步認(rèn)定氣化爐內(nèi)表面開裂為氯、硫離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂[2]。

4 失效原因分析

由內(nèi)襯的宏觀檢驗、斷口分析以及金相檢驗可以確認(rèn)，氣化爐內(nèi)襯開裂為氯、硫離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂。金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂必須同時滿足材料、應(yīng)力、環(huán)境的特定條件。針對氣化爐內(nèi)襯的應(yīng)力腐蝕開裂，分別對使用的材料，受力情況及服役環(huán)境等因素進(jìn)行分析。

4.1 材料因素分析

對氣化爐內(nèi)襯進(jìn)行半定量材料成分檢測，將測得的材質(zhì)主要成分與GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》進(jìn)行對比，結(jié)果如表3 所示。

表3 材質(zhì)化學(xué)成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

通過成分對比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)襯使用的材料符合316L 不銹鋼要求。316 型奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性較高，在潮濕的環(huán)境及H2S，氯離子作用下會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。通過金相檢驗發(fā)現(xiàn)試樣母材的組織基本上為奧氏體，且存在少量纖維狀鐵素體，因此對試樣進(jìn)行鐵素體含量檢測。利用鐵素體測量儀測得氣化爐內(nèi)襯所用奧氏體不銹鋼材料中鐵素體質(zhì)量含量為0.5%左右。316 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼中一般會存在少量的鐵素體。接管周邊硬度值約為HB180，內(nèi)壁硬度值約為HB205，該材料的硬度偏高。

4.2 環(huán)境因素分析

奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂需要在潮濕的環(huán)境中形成氯化物溶液。對氣化爐溶液介質(zhì)元素分析后發(fā)現(xiàn)其中存在大量氯離子，其質(zhì)量濃度為200 mg/L，且垢層中具有大量的硫元素。相關(guān)資料表明硫化物對氯離子導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂起促進(jìn)作用。

4.3 應(yīng)力因素分析

因為基材SA387Cr11CL2 和堆焊層316L 的熱膨脹系數(shù)不同，采用有限元分析法對氣化爐在工作狀態(tài)和常溫下的應(yīng)力進(jìn)行計算分析。

4.3.1 氣化爐工作狀態(tài)

氣化爐升溫到230 ℃后的應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 230 ℃時氣化爐應(yīng)力云圖

升溫結(jié)束后，激冷室內(nèi)壁產(chǎn)生較大環(huán)向和軸向壓應(yīng)力，最大環(huán)向壓應(yīng)力產(chǎn)生于錐殼處接管N4 尾端（為-470 MPa），其余兩接管周圍均產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離接管的內(nèi)壁位置環(huán)向壓應(yīng)力均接近-200 MPa，并于環(huán)形鍛件處的堆焊層上端產(chǎn)生約為-280 MPa 的壓應(yīng)力。最大軸向壓應(yīng)力產(chǎn)生于靠近N4 尾端位置（為-470 MPa），其余兩接管周圍也均產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，不含堆焊層殼體內(nèi)壁的遠(yuǎn)離接管位置環(huán)向應(yīng)力接近-270 MPa，含堆焊層的內(nèi)壁壓應(yīng)力約為-290 MPa，并于堆焊層上端產(chǎn)生應(yīng)力不連續(xù)，壓應(yīng)力約為-230 MPa。

4.3.2 氣化爐常溫狀態(tài)

氣化爐在常溫狀態(tài)時的應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 常溫時氣化爐應(yīng)力云圖

降溫結(jié)束后，激冷室內(nèi)壁產(chǎn)生了較大環(huán)向和軸向拉應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力產(chǎn)生于錐殼處，約263 MPa，略大于316L 材料的屈服強(qiáng)度，不含堆焊層內(nèi)壁并未產(chǎn)生較大應(yīng)力，堆焊層上端即環(huán)形鍛件堆焊層處產(chǎn)生拉應(yīng)力約為90 MPa，遠(yuǎn)離接管位置堆焊層應(yīng)力較大，約為110 MPa，M2 尾端產(chǎn)生較大拉伸環(huán)向應(yīng)力。最大軸向壓應(yīng)力產(chǎn)生于錐殼處近，為277 MPa，大于316L 材料的屈服強(qiáng)度，不含堆焊層內(nèi)壁并未產(chǎn)生較大應(yīng)力，堆焊層上端即環(huán)形鍛件堆焊層處產(chǎn)生拉應(yīng)力，約為130 MPa，堆焊層應(yīng)力較大，為190 MPa，M2 尾端產(chǎn)生較大的拉伸軸向應(yīng)力。

由有限元應(yīng)力分析可知，在氣化爐正常工作狀態(tài)下激冷室內(nèi)襯的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；氣化爐停機(jī)后激冷室內(nèi)襯的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力腐蝕開裂必須具備的3 個條件，即拉應(yīng)力、特定的腐蝕性離子和敏感材料來判斷，應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在氣化爐停車階段。

5 結(jié)論

氣化爐激冷室內(nèi)襯開裂和出現(xiàn)腐蝕孔的原因是316L 不銹鋼在氯離子和硫離子的作用下，基材和內(nèi)襯熱膨脹系數(shù)不同引發(fā)了應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕開裂必須具備3 個條件，即拉應(yīng)力、特定的腐蝕性離子和敏感材料。因此建議采取以下措施預(yù)防材料開裂。

（1）開裂的內(nèi)襯材料為316L 不銹鋼。建議根據(jù)設(shè)計要求選用的材料堆焊內(nèi)襯，比如鎳基合金等。

（2）在氣化爐正常工作狀態(tài)下激冷室內(nèi)襯的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；氣化爐停機(jī)后，激冷室內(nèi)襯的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在設(shè)備停車階段，因此在停車之前應(yīng)采用大量的去離子水清洗激冷室，清除激冷室內(nèi)的氯離子。

（3）奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞需要有氯離子和溶解氧存在[3]，因此使介質(zhì)保持很低的氯離子濃度和氧含量可以改善或者避免應(yīng)力腐蝕開裂。經(jīng)調(diào)查，激冷室中的氯離子來自進(jìn)料系統(tǒng)的水煤漿，因此可以在煤粉末化之前增加一道洗煤工序，以去除其中的氯離子。

（4）選擇低硫煤，從而降低溶液中的硫含量。

（5）嚴(yán)格按照TSG 21—2019《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求對氣化爐進(jìn)行定期檢驗，特別是對于易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的危險部位應(yīng)采用滲透檢測等方法進(jìn)行檢測。若存在裂紋，應(yīng)及時按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行修復(fù)或更換。