氣化爐激冷室開裂原因分析及預(yù)防措施研究

王 強(qiáng)

（山西潞安天脊機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多煤少油的國(guó)家，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源支持力度的不斷加大，煤氣化技術(shù)越來越受到重視，德士古氣化爐是應(yīng)用在煤化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤化工生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。德士古氣化爐的激冷室長(zhǎng)期處在液、固、氣三種介質(zhì)聯(lián)合作用下，因此工作環(huán)境極為惡劣。激冷室在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)內(nèi)壁容易出現(xiàn)裂紋，不但影響氣化爐的正常運(yùn)行，而且也給煤化工生產(chǎn)過程帶來了極大的安全隱患[1]。

本文在對(duì)德士古氣化工藝流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從激冷室的工作環(huán)境入手，對(duì)可能導(dǎo)致激冷室內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋的情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，確定了導(dǎo)致激冷室內(nèi)壁開裂的主要原因并針對(duì)性的采取了預(yù)防措施。有效的解決了氣化爐激冷室內(nèi)壁易開裂的問題，提升了煤化工生產(chǎn)過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 德士古氣化工藝及激冷室裂紋分析

1.1 德士古氣化工藝流程

在進(jìn)行反應(yīng)過程中，主要包括了水煤漿制備、氣化、灰水處理等三個(gè)部分[2]。在水煤漿制備時(shí)候，主要是以煤炭為原料，在其中加入能夠改變水煤漿流動(dòng)特性的添加劑，使水和煤混合成水煤漿。水煤漿從制備池中溢出以后進(jìn)入到空分設(shè)備中，和氧氣相混合并一起傳輸?shù)綒饣癄t的燃燒室內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)。通過對(duì)氣化工藝參數(shù)的調(diào)整，使充分氣化后形成的粗煤氣和熔渣一并進(jìn)入到氣化爐的激冷室，在激冷室內(nèi)進(jìn)行水浴，降低粗煤氣和熔渣的溫度。煤渣在受冷后迅速的發(fā)生固化并進(jìn)入到鎖斗的排渣系統(tǒng)中，粗煤氣則在冷卻后先進(jìn)行除塵然后再進(jìn)入到洗滌塔中進(jìn)行下一步的洗滌工藝，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。

通過對(duì)德士古氣化工藝流程的分析，可知在整個(gè)反應(yīng)過程中，在氣化爐中需要經(jīng)歷固體、液體、氣體的綜合反應(yīng)過程，而且在反應(yīng)過程中會(huì)伴隨著溫度的變化，因此在長(zhǎng)期使用的過程中極易出現(xiàn)激冷室開裂問題。

1.2 激冷室裂紋

在對(duì)激冷室進(jìn)行探傷檢測(cè)的過程中，發(fā)現(xiàn)激冷室內(nèi)壁堆焊層處幾乎都分布有可記錄的缺陷，而且在筒體上部堆焊層處的缺陷密度小于在筒體下半部分和錐體位置的缺陷密度。缺陷分布最大的區(qū)域出現(xiàn)在錐體上部2 000 mm 位置還有錐口下側(cè)約400 mm 的位置。激冷室筒體上堆焊層表面缺陷，如圖1-1 所示。利用打磨設(shè)備對(duì)缺陷位置進(jìn)行打磨，發(fā)現(xiàn)缺陷深度均在2 mm 左右，基本上是分布在堆焊層的面層處。激冷室筒體下部堆焊層表面則出現(xiàn)了密集型的類似雞爪狀的裂紋，裂紋之間先后交錯(cuò)，通過打磨發(fā)現(xiàn)此處缺陷的深度均在5 mm 左右，已經(jīng)從表面延伸到過渡層，其表面缺陷，如圖1-2 所示。

圖1 激冷室筒體堆焊層缺陷

2 開裂原因分析

2.1 工作環(huán)境分析

對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在腐蝕產(chǎn)物中的氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.5%，而且氧元素的含量和堆焊材料原始含量相比有了一定的增加，樣本中的Cr 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有最初的30%。因此初步懷疑是由于氯元素的作用使堆焊區(qū)域發(fā)生了腐蝕。進(jìn)一步對(duì)激冷室空氣中的腐蝕元素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了60 mg/L，屬于典型的高腐蝕性作業(yè)環(huán)境。

2.2 腐蝕狀態(tài)分析

根據(jù)腐蝕試驗(yàn)表明，在常溫下堆焊層對(duì)50 mg/L以下的氯元素濃度反應(yīng)并不敏感，但在反應(yīng)過程中激冷室的最高溫度可達(dá)到270 ℃，此時(shí)氯元素對(duì)不銹鋼堆焊層的腐蝕將隨著溫度的升高迅速增加。通過對(duì)附屬區(qū)域取樣檢測(cè)，由于氧元素的含量有了增加，因此可以判斷在堆焊區(qū)域發(fā)生了輕微的均勻腐蝕[3]。

2.3 點(diǎn)腐蝕狀態(tài)分析

通過對(duì)裂紋區(qū)的分析，存在著很多連續(xù)和孤立的單點(diǎn)腐蝕，根據(jù)檢測(cè)，在激冷室內(nèi)部由pH 為5 左右的酸性液體，而且在激冷室內(nèi)有充足的氧氣供應(yīng)，滿足不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕所需的條件。由于對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行取樣檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的Cr 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有最初的30%，因此表明發(fā)生點(diǎn)腐蝕后降低了鈍化膜的修復(fù)能力，將“Cr”原子排擠掉，阻止形成致密的保護(hù)膜。而且在堆焊層位置本身的化學(xué)成分也存在著一定的差異性，一定程度上為點(diǎn)腐蝕的發(fā)生提高了基礎(chǔ)。

2.4 應(yīng)力腐蝕分析

應(yīng)力腐蝕開裂是一種力學(xué)-環(huán)境綜合作用下的開裂過程，由于激冷室工作時(shí)內(nèi)部處于富氧狀態(tài)，在氣化時(shí)氣體中含有大量的氯元素[4]，隨著氣體的流動(dòng)擴(kuò)散到激冷室的內(nèi)壁，當(dāng)在內(nèi)壁上溶解的氧和氯元素的乘積大于10～11 時(shí)就為應(yīng)力腐蝕開裂提供了基本的外部環(huán)境條件。

堆焊層在進(jìn)行焊接時(shí)雖然采用了多種措施減少在焊接過程中的殘余應(yīng)力，但實(shí)際上并不能完全消除堆疊的殘余應(yīng)力，根據(jù)研究，在沿著焊接方向上的殘余應(yīng)力最大，沿著焊接軸向方向上的殘余應(yīng)力次之，而沿著焊接厚度方向上的殘余應(yīng)力最小。在對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行金相檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋主要是嚴(yán)重堆焊焊接方向的，因此可以表明焊接區(qū)在長(zhǎng)期外界環(huán)境和內(nèi)部焊接應(yīng)力的作用下，發(fā)生了顯著的應(yīng)力腐蝕開裂情況。

2.5 晶間腐蝕

為了提高Cr-Mo 鋼的耐高溫性和抗腐蝕性，因此氣化爐在設(shè)計(jì)時(shí)整體采用了SA387Gr11CL2 材料[5]，而激冷室則采用了E316L 堆焊[6]，提高不銹鋼的抗腐蝕性，在焊接過程中的過渡層采用了埋弧焊拉保證熔深，在面層采用了電渣焊，使焊道在搭接處過渡平滑，外觀平整性更好。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堆焊層裂紋區(qū)域的金相進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然局部出現(xiàn)了晶粒略大的情況，但并沒有出現(xiàn)貫通，評(píng)估時(shí)焊接設(shè)備在焊接時(shí)存在局部高溫導(dǎo)致的。因此綜合分析，在焊接裂紋區(qū)域并沒有發(fā)生晶間腐蝕情況。

3 預(yù)防及改善措施

針對(duì)激冷室開裂的原因，為了從源頭上進(jìn)行管控提升氣化爐激冷室的應(yīng)用穩(wěn)定性和可靠性，針對(duì)性的提出了3 個(gè)預(yù)防和改進(jìn)措施。

1）冷卻水凈化。德士古水煤漿氣化爐內(nèi)的冷卻水主要是來自于煤氣洗滌塔中，因此水內(nèi)含有較多的酸性物質(zhì)，特別是一些氯化物，增加了腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此在煤氣洗滌塔的后側(cè)增加了1 個(gè)二次洗滌裝置，對(duì)水源進(jìn)行凈化，除去水質(zhì)中的酸性物質(zhì)和氯化物，建設(shè)氯化物對(duì)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。

2）定期維護(hù)。嚴(yán)格按照壓力容器技術(shù)檢測(cè)要求，定期對(duì)氣化爐激冷室進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的地方，如果發(fā)現(xiàn)裂紋后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，避免裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散。

3）溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警。嚴(yán)密監(jiān)視氣化爐的運(yùn)行溫度，避免系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行，使燃燒室壁面溫度保持在正常反應(yīng)溫度內(nèi)，防止溫度過高增加堆焊層的應(yīng)力，加速應(yīng)力腐蝕開裂。

該措施目前已經(jīng)嚴(yán)格執(zhí)行2 a，根據(jù)對(duì)氣化爐激冷室裂紋情況的監(jiān)測(cè)，在這兩年中激冷室開裂問題導(dǎo)致的異常停機(jī)數(shù)量由優(yōu)化前的3.7 次/a 降低到了目前的0.5 次/a，開裂異常數(shù)量降低了86.5%，極大的提升了煤化工生產(chǎn)中氣化爐的應(yīng)用穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)氣化爐激冷室產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了分析，針對(duì)性的采取了預(yù)防和控制措施，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）激冷室堆焊層殘余應(yīng)力在其他附加敏感環(huán)境下，早期的點(diǎn)狀腐蝕逐步擴(kuò)展，最后在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，使導(dǎo)致激冷室裂紋產(chǎn)生的主要因素；

2）通過冷卻水凈化、嚴(yán)格執(zhí)行定期維護(hù)、實(shí)施溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警，能有效預(yù)防激冷室的裂紋產(chǎn)生?？蓪⒓だ涫耶惓ｉ_裂數(shù)量降低86.5%。