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分享:粗合成气生产用气化炉水冷壁管爆裂原因

2023-03-13 15:53:28 

杜少华,,

(中安联合煤化有限责任公,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,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 ,该部位为盘管结构,分为4,每扇由上3部 分 组 成,见 图 1。 爆 裂 水 冷 壁 管 材 料 为 15CrMoG ,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,[2-3]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,发现管壁强度较低,易发生脆断

1.2

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 GB/T 2 爆裂水冷壁管宏观形貌 Fig 2 Macromorphologyofburstwaterwalltube 5310-2017《15CrMoG ,, ,标准的要求,判断其碳元素含量升高是后期使用过

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,背火侧心部球化级别 3;向火侧近内壁的显微组织与心部的相似,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壁覆盖一层与基体金属结合较为紧密的黑灰色产 ,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 ,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 ,片层状的渗碳体完全转变为颗粒状,分布在晶 ,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,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,如水的流速较低量较小管壁处于高温,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 [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,FeO 不稳定,在 有 氧 的 高 温 环 境 下 会 继 续 发 生 反 ,生成Fe3O4 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 CH4 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 射线衍射分析合工况,管外壁接触介质为 CO 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,区别在内壁产物是氧气应的结果[8],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,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 ,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,减薄,由原设计的8 mm 4 mm高温运行状态下,管壁减薄后是否能够满足其强要求,依据 GB/T20801.3-2006业管道 第3部分:设计和计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 ,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 ,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 ,炉膛温度过高,使水冷壁管处于高温环境中,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;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;制水冷壁产汽量小于10t·h -1,水汽比大于44,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