氣化爐氣液交界區(qū)運(yùn)行裂紋分析及后續(xù)改進(jìn)建議

黎洪，奚旭，銀潤邦

(北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京市房山區(qū) 102502）

1 基本情況介紹

（1）氣化爐結(jié)構(gòu)簡介

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭資源的綜合高效利用一直是國家大力發(fā)展的方向，因此煤化工產(chǎn)業(yè)在當(dāng)前及今后較長一段時期內(nèi)具有廣闊的市場前景。近年來我國煤化工產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，用于煤氣化生產(chǎn)的重要設(shè)備——?dú)饣癄t制造技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，部分氣化爐制造技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。氣化爐設(shè)備一般分為氣化室和激冷室兩大段，水煤漿氣化爐技術(shù)的氣化室內(nèi)部一般采用的耐火磚結(jié)構(gòu)，粉煤氣化一般氣化室內(nèi)部采用列管或者螺旋管設(shè)計的膜式壁結(jié)構(gòu)。無論是采用水煤漿氣化和粉煤氣化技術(shù)的設(shè)備，除氣化室結(jié)構(gòu)差異較大外，氣化爐的下部激冷室結(jié)構(gòu)大致相同，下圖1為比較常見的激冷室結(jié)構(gòu)。由激冷室筒體、激冷環(huán)、激冷筒、破泡器等主要結(jié)構(gòu)組成。

（2）運(yùn)行過程中堆焊層裂紋問題

某單位在對其運(yùn)行多年的氣化爐例行檢查時發(fā)現(xiàn)，部分氣化爐的激冷室下人孔處筒身內(nèi)壁堆焊層氣液交界區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋，該氣化爐堆焊層材質(zhì)為S31603,裂紋位于氣液交界處的堆焊層表面。多臺氣化爐的裂紋均出現(xiàn)在激冷室的下降管出口至下部人孔以上的區(qū)域（裂紋位置如圖2所示）。大部分氣化爐裂紋數(shù)量較少且為淺表裂紋，經(jīng)過輕微打磨即消除，其中一臺氣化爐激冷室堆焊層存在大量網(wǎng)狀裂紋（裂紋范圍為：下人孔以上的筒身高度方向約1000mm范圍的全圓周），裂紋形貌如圖3所示。

圖2 裂紋出現(xiàn)區(qū)域

圖3 裂紋PT探傷形貌（網(wǎng)狀裂紋）

（3）氣化爐運(yùn)行情況

經(jīng)了解現(xiàn)場運(yùn)行情況，現(xiàn)場反饋以上氣化爐運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)異常情況，裂紋最嚴(yán)重的那臺氣化爐運(yùn)行時間并不是發(fā)現(xiàn)裂紋的這幾臺氣化爐中運(yùn)行時間最長的，啟停次數(shù)也不是最多的。

2 裂紋原因分析

（1）制造流程分析

根據(jù)提供的制造文件介紹，按設(shè)計院技術(shù)要求，過渡層采用埋弧帶極堆焊EQ309LMo，堆焊基層后進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理，之后堆焊面層，面層采用埋弧帶極堆焊EQ316L，堆焊后產(chǎn)品進(jìn)行整體熱處理。 在制造過程中，過渡層堆焊完成后進(jìn)行100%PT探傷，面層堆焊后，進(jìn)行100%UT+100%PT探傷，均未發(fā)現(xiàn)裂紋問題，因此可以排除裂紋是制造過程中產(chǎn)生的。而且，過渡層堆焊之后進(jìn)行了中間熱處理，面層堆焊后進(jìn)行了整體熱處理，焊接殘余應(yīng)力均得以充分釋放，符合氣化爐制造標(biāo)準(zhǔn)要求。

查閱其焊接評定和焊材檢驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合相關(guān)技術(shù)要求，堆焊工藝見表1，堆焊層表面以下3mm化學(xué)成分見表2，理化檢驗(yàn)結(jié)果見表3

表1 焊接參數(shù)

表2 距表面以下3mm化學(xué)成分

表3 理化檢驗(yàn)結(jié)果

從以上評定數(shù)據(jù)可見，焊縫的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)對焊帶化學(xué)成分的要求，且具有較低的C含量。彎曲未裂，說明堆焊層塑性良好。晶間腐蝕按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格，說明堆焊層耐腐蝕性能良好。宏微觀未發(fā)現(xiàn)缺陷，微觀組織正常，說明焊材可焊性良好，裂紋不易在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生。根據(jù)磁性法測試，鐵素體含量為6.2%，具有較好防止焊接熱裂紋性能且有利于堆焊層耐腐蝕性能的提高?？傮w分析，焊接工藝合理，檢測數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有較好的性能。

（2）裂紋原因分析

由于幾臺氣化爐的裂紋位置均出現(xiàn)在同一區(qū)段，同一激冷室其余部位的堆焊層也采用相同工藝堆焊，但并未出現(xiàn)類似裂紋，由此可見，裂紋的產(chǎn)生與該區(qū)域的介質(zhì)和運(yùn)行環(huán)境非常相關(guān)。那么這種網(wǎng)狀裂紋是怎么產(chǎn)生的呢，從PT檢測顯示的腐蝕裂紋的形式來看，有可能的原因是氯離子應(yīng)力腐蝕和連多硫酸應(yīng)力腐蝕。氯離子應(yīng)力腐蝕發(fā)生必要的條件有：氯離子、水、氧、殘余應(yīng)力、合適溫度；連多硫酸腐蝕發(fā)生的必要條件有：H2S、水、氧、合適溫度。

1) 同行業(yè)的類似文獻(xiàn)資料對與此類型類似運(yùn)行裂紋產(chǎn)生的原因分析：

網(wǎng)狀裂紋出現(xiàn)部位位于下降管熔融爐渣出口處附近的內(nèi)壁堆焊層上，該位置存在溶有爐渣的黑水，而氣化爐內(nèi)介質(zhì)含有：SO、HS、H、CO、C、S等，由于這些介質(zhì)的存在，會導(dǎo)致硫化腐蝕、滲碳作用、氫化腐蝕等進(jìn)行。若此時加上煤質(zhì)不好，含S量高，容易導(dǎo)致腐蝕加劇，同時該位置溫度較高，使水分氣化或分解，導(dǎo)致該區(qū)域氧含量升高，鐵/ 鉻硫化物與水和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就有亞硫酸和連多硫酸產(chǎn)生，從而產(chǎn)生腐蝕[1]。

在煉油化工行業(yè)中，介質(zhì)中含有H2S 和活性硫，在高溫?zé)o水的情況下，可直接與設(shè)備表面的金屬鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成FeS，這些FeS 在設(shè)備表面形成一層致密的膜，阻止了其他物料對設(shè)備表面的進(jìn)一步腐蝕，對設(shè)備可起到一定的保護(hù)作用。但是當(dāng)裝置中存在O2和水分與設(shè)備表面的FeS發(fā)生反應(yīng)，便可生成連多硫酸[2]。

形成的連多硫酸沉積在設(shè)備的內(nèi)表面，形成了腐蝕環(huán)境，使設(shè)備內(nèi)壁發(fā)生腐蝕。晶界是雜質(zhì)偏聚碳化物沉淀產(chǎn)生點(diǎn)蝕的敏感位置，當(dāng)晶粒周圍被腐蝕后，晶?；虺恋硐嗑蜁粋€個地脫落產(chǎn)生點(diǎn)蝕，再逐步擴(kuò)大到肉眼可見的蝕孔。這些蝕孔本身就會引起應(yīng)力集中而萌生裂紋[1]。該類不銹鋼堆焊層的腐蝕主要為晶間腐蝕，符合連多硫酸晶間腐蝕的特征。

2) 氣化爐運(yùn)行環(huán)境排查

根據(jù)了解到情況并對入爐煤的元素分析數(shù)據(jù)排查，檢查其氯含量與硫含量情況，其次對氣化爐激冷室的循環(huán)水以上兩種元素濃度進(jìn)行了分析。以上兩種腐蝕極易發(fā)生在氣化爐檢修期間，當(dāng)氣化爐內(nèi)壁沒有進(jìn)行合適的吹干從而存在一定水汽環(huán)境的時候，或氣化爐液位位于預(yù)熱液位，氣化爐爐內(nèi)仍有殘留合成氣時。

同時，針對設(shè)備啟、停和運(yùn)行過程中存在溫差變化進(jìn)行了解，從裂紋存在的區(qū)域來看，判斷可能當(dāng)氣化爐正在運(yùn)行時，液位突然降低，而仍有高溫合成氣從下降管排出后，對下降管出口位置高度區(qū)域附近的氣化爐內(nèi)壁造成高溫腐蝕。通過氣化裝置DCS內(nèi)氣化爐液位運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行排查，基本符合上述判斷。另外由于不銹鋼堆焊層與基材存在熱膨脹系數(shù)不一致的物理特性，在溫差變化時會引起熱應(yīng)力的產(chǎn)生，經(jīng)過腐蝕的堆焊層在應(yīng)力的作用下容易沿晶界開裂，在外觀上表現(xiàn)出來的便是網(wǎng)狀裂紋。因此，引起網(wǎng)狀裂紋的主要原因?yàn)樵搮^(qū)段溫度高，且存在S、H、C、O等元素通過化學(xué)反應(yīng)引起了堆焊層的晶間腐蝕，在啟停和運(yùn)行的熱應(yīng)力作用下加速了堆焊層的開裂。

因此綜合以上分析，從查閱制造過程相關(guān)文件和制造工藝均符合要求，產(chǎn)品的制造過程中未產(chǎn)生裂紋，由于幾臺氣化爐并不是同時運(yùn)行，在各自運(yùn)行時，由于煤質(zhì)等原料的影響不一致，黑水化學(xué)成分也不完全相同，因此腐蝕程度不同，從而導(dǎo)致了在氣液交界區(qū)的堆焊層產(chǎn)生了裂紋，因?yàn)檫\(yùn)行工況負(fù)荷等不同而導(dǎo)致開裂程度也不同。

3 改進(jìn)方向建議

氣化爐在工作過程中壓力和溫度均較高，在激冷室區(qū)域，蒸汽、水、煤氣等復(fù)雜環(huán)境下仍然需要采用堆焊或者復(fù)合板結(jié)構(gòu)來克服這些腐蝕。我們發(fā)現(xiàn)在目前氣化爐爐設(shè)備中，有些業(yè)主已經(jīng)要求采用鎳基合金堆焊，因?yàn)殒嚭辖鹩懈玫哪透g性能，且其與基材熱膨脹系數(shù)差更小，這樣有利于減少高溫下的熱應(yīng)力。 對一般的鋼材而言，Ni-Cr-Mo合金還有較好的焊接工藝性，但是從設(shè)備造價看，激冷室全面堆焊鎳合金成本較高，從目前大多數(shù)氣化爐堆焊運(yùn)行來看，激冷室部分堆焊不銹鋼還是主流選擇，考慮到設(shè)備的氣液位置運(yùn)行工況較為惡劣，同時從節(jié)約成本的角度出發(fā)，建議以后設(shè)計和業(yè)主可以選擇在氣液交界處范圍內(nèi)采用堆焊鎳合金的設(shè)計結(jié)構(gòu)，而其他位置采用堆焊不銹鋼結(jié)構(gòu)。