煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過熱器列管失效分析及防范措施

楊俊旭 李娟 劉衛(wèi)

摘要：煤化工企業(yè)主要會借助能譜實驗、掃描電鏡圖、化學(xué)分析實驗、金相組織實驗對甲醇聯(lián)合裝置系統(tǒng)中的蒸汽過熱器進行分析，找尋具體的列管失效原因，使得煤氣化變換系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。本文將對煤氣化變換工藝流程進行概述，分析列管失效原因，探究具體的防范措施。

關(guān)鍵詞：列管;蒸汽過熱器;煤氣化

引言：煤氣化生產(chǎn)裝置在運行過程中容易出現(xiàn)蒸汽過熱器列管失效、泄漏問題。煤化工企業(yè)需要認(rèn)真分析列管的質(zhì)量問題，判定失效原因，制定針對性的防范措施?；诖?，對于煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過熱器列管失效分析及防范措施的探究有著重要意義。一、工藝流程

工藝流程為粗煤氣由氣化裝置產(chǎn)生經(jīng)過氣液分離器，將粗煤氣中的水分分離后，粗煤氣的一部分會進入預(yù)熱器管程;在粗煤氣與變換器反應(yīng)升溫至305℃后，該部分粗煤氣進入變換爐中;煤氣與水蒸汽氣在耐硫催化劑條件下進行變換反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫氣體從變換爐進入到預(yù)熱器中，與粗煤氣進行換熱，換熱后的溫度可達(dá)到380℃;該部分氣體在換熱后經(jīng)過蒸汽過熱器，將升溫?fù)Q熱至260℃的氣體送入蒸汽管道，降低溫度為240℃;該部分氣體會混合部分粗煤氣，方便后續(xù)的脫氨作業(yè)與熱量回收作業(yè)。簡單而言，粗煤氣經(jīng)過氣液分離器，部分成為凝液，部分進入蒸汽過熱器、原料氣預(yù)熱器、變換爐進行變換反應(yīng)。鍋爐水會經(jīng)過蒸汽發(fā)生器、蒸汽過熱器后進入相應(yīng)等級的蒸汽管網(wǎng)。??? 設(shè)計人員在設(shè)置變換系統(tǒng)時，通常將u形管換熱器作為蒸汽過熱器，使用25mm×2mm規(guī)格的材質(zhì)制作換熱器，使用1mpa壓力的蒸汽為殼程介質(zhì)，使用5.8mpa壓力的蒸氣為管程介質(zhì)，變換器的溫度設(shè)置為384℃。蒸汽過熱器管城的具體換氣成分表為：一氧化碳占總成分的5.9955%，氫氣占總成分的52.7881%，二氧化碳占總成分的40.2723%，氮氣占總成分的0.28%，硫化氫占總成分的0.4623%，氨氣占總成分的0.03%。

二、煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過熱器列管失效分析

（一）金相組織

技術(shù)人員將列管從蒸汽過熱器中抽出，能夠發(fā)現(xiàn)列管表層出現(xiàn)開裂現(xiàn)象且伴隨著諸多腐蝕坑印。為詳細(xì)探究列管失效原因，需要使用能譜分析、化學(xué)分析、金相組織分析、掃描電鏡分析等技術(shù)手段分析列管。金相組織分析手段借助定量金相學(xué)原理，通過金相顯微組織對合金組織進行計算、測量，分析三維空間形貌（金相顯微組織主要為二項金相試樣的薄膜或膜面），進而研究分析列管金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判定具體的內(nèi)部缺陷，分析失效原因。金相組織實驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)列管存在未腐蝕的試樣橫裂紋、腐蝕的試樣橫裂紋、未腐蝕的試樣縱裂紋、腐蝕的試樣縱裂紋四種情況?；诖耍軌虬l(fā)現(xiàn)列管出現(xiàn)了諸多垂直裂紋，由外壁擴展至內(nèi)壁，裂紋的特點為能貫穿整個試管的內(nèi)壁、外壁且分支數(shù)量較少，容易造成泄漏問題。通過細(xì)致的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，列管的裂紋多出現(xiàn)在被腐蝕的點蝕處以及外部缺陷處，少量的裂紋出現(xiàn)在列管內(nèi)部，主要的三維空間形貌為穿晶形貌，細(xì)致觀察各類裂紋的走向、形態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)其開裂特點為應(yīng)力腐蝕。

（二）化學(xué)分析

技術(shù)人員通常采用S32168型號的材料作為整體過熱系列管材質(zhì)，為進一步對列管材質(zhì)的質(zhì)量進行驗證，需要使用化學(xué)分析手段，借助直讀光譜儀分析列管試樣。具體的分析結(jié)果為：Ti元素的分析結(jié)果為0.035，Mn的分析結(jié)果為1.003，Si的分析結(jié)果為0.434，P的分析結(jié)果為0.043，S的分析結(jié)果為0.0016，Cr的分析結(jié)果為17.23，Ni的分析結(jié)果為9.012，Y的分析結(jié)果為0.274。

（三）能譜實驗

為全面細(xì)致地觀察列管的裂紋走向、裂紋形態(tài)、腐蝕點坑，對腐蝕點坑、列管裂紋的成因進行分析，需要借助能譜實驗與掃描電鏡實驗。通過對列管試樣開展能譜分析與掃描電鏡分析，可以發(fā)現(xiàn)其實主要包含了點蝕坑低倍形貌、點蝕坑內(nèi)部形貌、管體外壁微裂紋貫穿點蝕坑、點蝕坑貫穿裂紋形貌四種類型。大量點蝕坑附著在換熱管外壁，分布狀況為沿管體軸向分布，未能對管體管壁進行貫穿的微裂紋分布在點蝕坑周圍，并附著在管體外壁。該部分微裂紋貫穿管壁的點蝕坑，并沿管體軸向分布^[1]。通過對裂紋進行觀察能夠發(fā)現(xiàn)，附著在管體外壁的大部分點蝕坑生成了部分裂紋，而這部分裂紋擴展至管體內(nèi)壁，進而導(dǎo)致列管出現(xiàn)泄漏失效問題，而脆性斷裂為列管斷裂的主要形式。Ni、Cr、Ti、CL、S、Si、O是列管裂紋腐蝕產(chǎn)物的主要元素。通過大量分析實驗可以發(fā)現(xiàn)，大量點蝕坑附著在換熱器列管表層，絕大多數(shù)的點蝕坑的源頭為腐蝕應(yīng)力裂紋。作為危險性較大、隱蔽性較強的應(yīng)力局部腐蝕點蝕能夠?qū)е虏讳P鋼設(shè)備出現(xiàn)穿孔，而氯離子是引發(fā)不銹鋼設(shè)備失效的主要原因。能譜分析手段能夠有效發(fā)現(xiàn)換熱器列管的氯元素，與此同時，低壓蒸汽作為蒸汽過熱器的主要介質(zhì)，能夠幫助氯離子充分進入換氣系統(tǒng)。??? 腐蝕與應(yīng)力共同作用在列管表層會導(dǎo)致列管出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，進而導(dǎo)致列管出現(xiàn)泄漏、失效問題。在5.08mpa、384℃的條件下，使用蒸汽過熱器，很可能導(dǎo)致設(shè)備失效。將奧氏體不銹鋼作為列管的主要材料，也會使得氯離子引發(fā)點蝕坑，導(dǎo)致未貫穿列管管體管壁的微裂紋出現(xiàn)在點蝕坑周圍，并沿著列管管體軸向分布。由于應(yīng)力集中效應(yīng)，微裂紋在環(huán)向應(yīng)力與高溫條件下，很可能導(dǎo)致列管出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開裂，進而導(dǎo)致蒸汽過熱器出現(xiàn)故障、換熱管失效^[2]。

三、煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過熱器列管失效防范措施

依照煤氣化變換系統(tǒng)的工藝條件、工藝流程，選取適合的設(shè)備類型，科學(xué)合理地選用換熱器材質(zhì)。例如，在濃縮鍋爐、水、氯化物、水溶液、高溫堿液等介質(zhì)條件下，奧氏體不銹鋼容易出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開裂問題;因此，技術(shù)人員在選用材質(zhì)時，應(yīng)盡可能地避免在上述環(huán)境下條件下，選用奧氏體不銹鋼作為換熱器材質(zhì)。煤氣的水蒸氣在進行變換反應(yīng)后，高溫氣體從變換爐進入到預(yù)熱器中與粗煤氣進行換熱;該部分氣體在換熱后經(jīng)過蒸汽過熱器，送入蒸汽管道?；诖耍诩庸ぴO(shè)備時，技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)先使用退火手段對加工成型后的設(shè)備進行處理，消除設(shè)備應(yīng)力。通常情況下，在1100℃條件下，技術(shù)人員需要對使用奧氏體不銹鋼作為換熱器材質(zhì)的設(shè)備進行固溶處理或開展噴丸處理作業(yè)，確保奧氏體不銹鋼的表層能夠出現(xiàn)壓應(yīng)力，進而降低設(shè)備表層出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的概率。

技術(shù)人員在設(shè)置工藝設(shè)備時，通常將奧氏體不銹鋼作為換熱設(shè)備、蒸汽過熱器及變換系統(tǒng)、其他器材的主要原材料。技術(shù)人員需要嚴(yán)格控制換氣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間的各項工藝指標(biāo)，尤其是要確認(rèn)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確保鍋爐水中的相關(guān)指標(biāo)小于30mg/l，避免氯離子濃度過大對奧氏體不銹鋼進行腐蝕，導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開裂問題^[3]。技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)排除蒸汽發(fā)生器內(nèi)的污水，保障變換系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保系統(tǒng)各運轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部的離子含量始終處于合理范圍，避免系統(tǒng)內(nèi)累積大量的氯離子，有效控制氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，保持離子含量穩(wěn)定。在變換系統(tǒng)停止運行后，技術(shù)人員應(yīng)使用設(shè)備吹出換熱器內(nèi)的流體，使用氮氣對設(shè)備進行保護，避免雜質(zhì)沉淀在列管表層。與此同時，在系統(tǒng)設(shè)備的試壓過程階段，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格控制試壓用水，避免氯離子大量進入換氣設(shè)備、換熱系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)腐蝕問題。

結(jié)論：綜上所述，上文敘述煤氣化變換工藝的具體流程，通過金相組織實驗、化學(xué)分析實驗、能譜實驗、掃描電鏡圖能夠分析出蒸汽過熱器列管的失效原因。通過科學(xué)合理地選用設(shè)備類型，換熱器材質(zhì)，對設(shè)備進行加工處理，嚴(yán)控氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，嚴(yán)格排污措施，嚴(yán)格控制試壓用水能夠有效防范列管失效。

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