分享：粗合成气生产用气化炉水冷壁管爆裂原因

杜少华,方 兴,刘 斌

(中安联合煤化有限责任公司,淮南 232000) 

摘 要:某煤气化公司气化炉水冷壁管在运行过程中频繁爆裂,通过化学成分分析、金相检验和 能谱分析等方法,结合气化炉的运行工况,对该管的爆裂原因进行了分析。结果表明:水冷壁管爆 裂的根本原因是管内循环水流量偏低,炉膛温度过高,使水冷壁管处于高温状态中,导致管壁显微 组织中珠光体发生球化,材料强度降低,进而引起水冷壁管爆裂。

 关键词:气化炉;水冷壁管;爆裂;显微组织;循环水流量 中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)03-0060-05

某煤气化公司在粗合成气生产过程中使用的气 化炉为国产气化炉,该炉采用粉煤加压气化技术,其 工艺流程是将原煤磨碎并干燥,再用高压气体进行 加压,然后利用粉煤给料罐与气化炉的压力差将其 输送到气化炉中与氧气和蒸汽混合后进行气化反应 生产粗合成气[1]。气化炉在运行过程中产生大量的 热量,在其烧嘴部位都装设水冷壁管,以通过水循环 来降低气化炉烧嘴及周边部位的温度。在实际运行 过程中,水冷壁管常出现穿孔、开裂等失效现象。 某公司4台气化炉开车仅3个月,某水冷壁管 先后发生爆裂。经检查,爆裂位置均位于锥段水冷 壁,该部位为盘管结构,分为4扇,每扇由上、中、下 3部 分 组 成,见 图 1。 爆 裂 水 冷 壁 管 材 料 为 15CrMoG 钢,属于低碳低合金珠光体型耐热钢,广 泛应用于电力、石化等领域,常用来制造工作温度在 450~550 ℃的过热器、集箱和加热炉管等,有很好 的耐氧化 和 耐 腐 蚀 性 能,同 时 还 具 有 很 好 的 热 强 性[2-3]。该水冷壁管规格为?38 mm×8 mm,工作 压力为5.5MPa,工作温度为271 ℃,管内介质为饱 和锅炉水,管外为炉膛,介质为粗煤气和煤粉,粗煤 气的主要成分为 H2,CH4,CO。为找到水冷壁管的 爆裂原因,笔者通过化学成分分析、金相检验和能谱 分析等方法,结合气化炉运行工艺对爆裂管进行了 失效分析,并提出合理的预防措施。 1 理化检验

1.1 宏观观察

现场截取部分爆裂水冷壁管,并对其进行观察, 宏观形貌见图2,可见管内、外壁均存在黑灰色产物, 产物最大厚度均为4mm,较为坚硬,与管基体附着紧密,向火侧产物厚度明显偏大;管心部仍为金属色, 管壁厚 度 存 在 不 均 匀 减 薄 现 象,管 壁 最 小 厚 度 为 4mm,切割过程中发现管壁强度较低,易发生脆断。

1.2 化学成分分析 

对水冷壁管基体金属进行化学成分分析,结果 见表1,可 见 水 冷 壁 管 的 化 学 成 分 不 符 合GB/T 图2 爆裂水冷壁管宏观形貌 Fig 2 Macromorphologyofburstwaterwalltube 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对15CrMoG 钢 的技术要求,其中碳元素含量高于标准要求的上限, 经查阅设备出厂资料,水冷壁管原始化学成分符合 标准的要求,判断其碳元素含量升高是后期使用过 程导致的。

1.3 金相检验 

为进一步分析水冷壁管的爆裂原因,在管体向 火侧和背火侧分别截取横截面金相试样,对其进行 观察,结果见图3,可见水冷壁管心部的显微组织为 铁素体+珠光体,珠光体组织存在球化现象,管体向 火侧心部球化级别为4.5级,背火侧心部球化级别 为3级;向火侧近内壁的显微组织与心部的相似,近 外壁的显微组织中存在渗碳组织;管内壁、外壁均附 着有较为致密的产物,产物呈深灰色,与管体金属紧 密结合。

1.4 产物分析 

宏观观察和金相检验中均发现向火侧管内、外 壁覆盖一层与基体金属结合较为紧密的黑灰色产 物,形貌见图4。为确定产物成分,采用能谱仪对管 壁产物的成分进行分析,结果见图5,可见管壁产物 中含有较多的铁元素和氧元素。

2 分析与讨论 

以上检验结果表明,管内、外壁均存在黑灰色产 物,以铁的氧化物为主,且与管壁金属基体结合较为 紧密;管壁显微组织发生了明显的球化。以上特征 只有管壁在高温环境下工作时才会发生,且随着温 度的升高、时间的延长,氧化物厚度增加、球化级别 升高[4]。 

2.1 组织球化原因

该水冷壁管的交货状态一般为正火态,其显微 组织为铁素体+珠光体。正常工艺条件下管内介质 水的温度为270 ℃,在此温度下管壁显微组织不会 发生球化,而实际检验结果是管壁珠光体组织发生 了球化,向火侧显微组织中片层珠光体形态已不存 在,片层状的渗碳体完全转变为颗粒状,分布在晶 界,依据 DL/T 787-2001《火电厂用15CrMo钢珠 光体球化评级标准》的要求判断该管属于重度球化。 水冷壁管实际运行过程中存在超温运行情况,且温 度越高,珠光体球化越严重,因此由珠光体球化级别 可以反推其实际服役温度高于550 ℃。 

2.2 内壁产物形成原因分析

能谱分析结果表明,水冷壁管内壁产物中含有较多的铁元素和氧元素。结合工况,水冷壁管管内 介质为水,一直处于循环状态,正常工艺条件下水的 温度为270 ℃左右,管内的水能够很好地对管壁进 行冷却,管壁不会发生超温现象。但是金相检验结 果表明,管壁组织存在球化,因此判断管壁存在超温 运行情况。结合工艺,造成管壁温度上升的原因只 能为管内介质的冷却速率不够,如水的流速较低、流 量较小。管壁处于高温时,少量的水与管壁接触即 发生气化。在大于700℃的高温环境下,高温水、水 蒸气将会发生分解,产生氧气,高温下水冷壁管和氧 气反应生成 Fe3O4,Fe2O3 等氧化物,同时,分解将 会导致 水 中 的 氧 分 压 升 高,使 管 壁 腐 蚀 更 加 严 重[5-6],反应式为 Fe+H2O=FeO+2[H] (1) 3Fe+4H2O=Fe3O4 +8[H] (2) 2Fe+3H2O=Fe2O3 +6[H] (3) 2H2O=2H2↑ +O2↑ (4) 产物层的主要成分应为 FeO,Fe3O4,Fe2O3,因 FeO 不稳定,在 有 氧 的 高 温 环 境 下 会 继 续 发 生 反 应,生成Fe3O4 和Fe2O3。因此,管内壁黑灰色产物 是金属基体与高温水发生氧化腐蚀反应的产物。 

2.3 碳元素含量偏高和外壁渗碳组织的形成原因 

设备出厂资料显示水冷壁管的化学成分和显微 组织均符合要求,而爆裂水冷壁管的化学成分分析 结果表明其碳元素含量偏高,金相检验中也发现管 外壁存在渗碳组织,说明该变化是在设备运行过程 中产生的。结合工艺,发生渗碳的管壁与气化炉炉 膛相邻,接触介质为煤粉、H2、CO2、CO 和 CH4 等 气体。介质中的煤粉和 CH4 在高温下会发生分解, 产生活性碳[7],其反应式为 CH4 =2H2 + [C] (5) 2CO=CO2 + [C] (6) CO+H2 =H2O+ [C] (7) CO=[C]+1/2O2 (8) 正常运行时,炉膛温度高于1000 ℃,满足活性 炭的产生条件,大量活性炭的存在使炉膛内的碳势 高于管材本身的,形成了碳势差。在高温环境下碳 会向金属基体不断地扩散,发生渗碳。渗碳的发生 与煤粉和 CH4 含量、炉膛温度、压力等因素有关, CH4 含量越高,碳势越高,渗碳越容易发生;管外环 境温度越高、压力越高,越有利于渗碳的发生;当管 壁长期处于活性炭环境时一定会发生渗碳。所以, 该管外壁在此环境下就会发生渗碳反应,这也能说 明管壁化学成分中碳元素含量偏高是渗碳导致的。

2.4 外壁产物的形成原因 

宏观观察结果和金相检验中还发现,渗碳组织 外侧还附着一层黑灰色产物,产物与基体金属紧密 结合,局部过渡区存在空隙。因管外壁附着产物层 厚度小于2mm,质地较硬且与基体金属紧密结合, 无法分离出独立的产物进行 X 射线衍射分析。结 合工况,管外壁接触介质为 CO 及 O2,在高温环境 下易发生下列反应。 2Fe+O2 =2FeO (9) 3Fe+2O2 =Fe3O4 (10) 4Fe+3O2 =2Fe2O3 (11) 3Fe2O3 +CO=2Fe3O4 +CO2 (12) 外壁产物成分与内壁产物成分相近,区别在于 内壁产物是金属基体与高温水分解后产生的氧气反 应的结果[8],而外壁产物是金属基体与介质中的氧 气直接发生反应的结果,这与能谱分析结果吻合。

2.5 组织球化及壁厚减薄对钢管性能的影响

从以上检验结果可以看出,该爆裂水冷壁管存 在明显的组织劣化和管壁减薄。对于低合金钢,其 正常的显微组织为铁素体+珠光体,由于高温作用, 珠光体内的片层状渗碳体逐渐分解为球状、颗粒状, 分布在晶内和晶界。金相检验结果表明,该管发生 了严重的球化,珠光体的球化会降低钢管的高温强 度,尤其是屈服强度,所以管壁爆裂时的变形较小, 甚至在没有变形的情况下即发生了脆性爆裂[2]。 宏观观察发现,该水冷壁管壁厚发生了明显的 减薄,由原设计的8 mm 减薄至4 mm。为确定在 高温运行状态下,管壁减薄后是否能够满足其强度 要求,依据 GB/T20801.3-2006《压力管道规范 工 业管道 第3部分:设计和计算》的技术要求对高温 状态的水冷壁管的强度进行校核。假设管壁实际运 行温度为550 ℃,经计算,在该条件下,管壁最小厚 度为2.6mm。可见如果失效管材料未劣化,其现有 壁厚满足强度要求,也间接证明管承载能力的降低 主要源于显微组织的球化。 

2.6 爆裂原因 

正常工艺条件下,气化炉水冷壁管的工作温度为 270℃,对于15CrMoG钢其最高使用温度为550℃, 在此工艺条件下不会发生材料劣化。而在实际检验 过程中发现,管壁显微组织中珠光体发生球化等现 象,这些特征表明该水冷壁管在服役过程中经历了 550℃以上的高温服役环境。结合工况,管外壁与炉膛相邻,管壁温度主要依靠管内锅炉水的循环来降 低,如果水流量较小,不能及时带走管外壁传入热量, 管壁就会超温服役,即可能发生管壁材料劣化、高温 氧化腐蚀(有效壁厚减小)等问题,尤其是组织劣化后 管壁强度会急剧下降[9-12],所以长期高温服役、管壁 强度下降是导致水冷壁管爆裂的主要原因。

3 结论及建议

水冷壁管爆裂的根本原因是管内循环水流量偏 低,炉膛温度过高,使水冷壁管处于高温环境中,导 致管壁显微组织中珠光体发生球化,材料强度降低, 进而引起水冷壁管爆裂。 建议提高水冷壁管内循环水流量至440t·h -1 (原操作流量为300t·h -1),增大水冷壁水系统流速 及流量,加强水冷壁盘管的热交换,降低水冷壁管道 温度,提 高 循 环 水 流 量 后 水 冷 壁 流 速 为 1.83~ 2.19m·s -1,管道水流量为2.41~2.94 m 3·h -1;根 据不同煤种及负荷调节氧煤比,避免过高的氧煤比 导致操作炉温过高,合理的氧煤比为0.82~0.90;控 制水冷壁产汽量小于10t·h -1,水汽比大于44,以 及时带走水冷壁热量,避免水冷壁局部温度过高。 经以上3项改进措施,该气化炉维修后已连续运行 150d未发生水冷壁管爆裂事故。

来源：材料与测试网