杜少華,方 興,劉 斌

(中安聯合煤化有限責任公司,淮南 232000) 

摘 要:某煤氣化公司氣化爐水冷壁管在運行過程中頻繁爆裂,通過化學成分分析、金相檢驗和 能譜分析等方法,結合氣化爐的運行工況,對該管的爆裂原因進行了分析。結果表明:水冷壁管爆 裂的根本原因是管內循環水流量偏低,爐膛溫度過高,使水冷壁管處于高溫狀態中,導致管壁顯微 組織中珠光體發生球化,材料強度降低,進而引起水冷壁管爆裂。

 關鍵詞:氣化爐;水冷壁管;爆裂;顯微組織;循環水流量 中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)03-0060-05

某煤氣化公司在粗合成氣生產過程中使用的氣 化爐為國產氣化爐,該爐采用粉煤加壓氣化技術,其 工藝流程是將原煤磨碎并干燥,再用高壓氣體進行 加壓,然后利用粉煤給料罐與氣化爐的壓力差將其 輸送到氣化爐中與氧氣和蒸汽混合后進行氣化反應 生產粗合成氣[1]。氣化爐在運行過程中產生大量的 熱量,在其燒嘴部位都裝設水冷壁管,以通過水循環 來降低氣化爐燒嘴及周邊部位的溫度。在實際運行 過程中,水冷壁管常出現穿孔、開裂等失效現象。 某公司4臺氣化爐開車僅3個月,某水冷壁管 先后發生爆裂。經檢查,爆裂位置均位于錐段水冷 壁,該部位為盤管結構,分為4扇,每扇由上、中、下 3部 分 組 成,見 圖 1。 爆 裂 水 冷 壁 管 材 料 為 15CrMoG 鋼,屬于低碳低合金珠光體型耐熱鋼,廣 泛應用于電力、石化等領域,常用來制造工作溫度在 450~550 ℃的過熱器、集箱和加熱爐管等,有很好 的耐氧化 和 耐 腐 蝕 性 能,同 時 還 具 有 很 好 的 熱 強 性[2-3]。該水冷壁管規格為?38 mm×8 mm,工作 壓力為5.5MPa,工作溫度為271 ℃,管內介質為飽 和鍋爐水,管外為爐膛,介質為粗煤氣和煤粉,粗煤 氣的主要成分為 H2,CH4,CO。為找到水冷壁管的 爆裂原因,筆者通過化學成分分析、金相檢驗和能譜 分析等方法,結合氣化爐運行工藝對爆裂管進行了 失效分析,并提出合理的預防措施。 1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

現場截取部分爆裂水冷壁管,并對其進行觀察, 宏觀形貌見圖2,可見管內、外壁均存在黑灰色產物, 產物最大厚度均為4mm,較為堅硬,與管基體附著緊密,向火側產物厚度明顯偏大;管心部仍為金屬色, 管壁厚 度 存 在 不 均 勻 減 薄 現 象,管 壁 最 小 厚 度 為 4mm,切割過程中發現管壁強度較低,易發生脆斷。

1.2 化學成分分析 

對水冷壁管基體金屬進行化學成分分析,結果 見表1,可 見 水 冷 壁 管 的 化 學 成 分 不 符 合GB/T 圖2 爆裂水冷壁管宏觀形貌 Fig 2 Macromorphologyofburstwaterwalltube 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對15CrMoG 鋼 的技術要求,其中碳元素含量高于標準要求的上限, 經查閱設備出廠資料,水冷壁管原始化學成分符合 標準的要求,判斷其碳元素含量升高是后期使用過 程導致的。

1.3 金相檢驗 

為進一步分析水冷壁管的爆裂原因,在管體向 火側和背火側分別截取橫截面金相試樣,對其進行 觀察,結果見圖3,可見水冷壁管心部的顯微組織為 鐵素體+珠光體,珠光體組織存在球化現象,管體向 火側心部球化級別為4.5級,背火側心部球化級別 為3級;向火側近內壁的顯微組織與心部的相似,近 外壁的顯微組織中存在滲碳組織;管內壁、外壁均附 著有較為致密的產物,產物呈深灰色,與管體金屬緊 密結合。

1.4 產物分析 

宏觀觀察和金相檢驗中均發現向火側管內、外 壁覆蓋一層與基體金屬結合較為緊密的黑灰色產 物,形貌見圖4。為確定產物成分,采用能譜儀對管 壁產物的成分進行分析,結果見圖5,可見管壁產物 中含有較多的鐵元素和氧元素。

2 分析與討論 

以上檢驗結果表明,管內、外壁均存在黑灰色產 物,以鐵的氧化物為主,且與管壁金屬基體結合較為 緊密;管壁顯微組織發生了明顯的球化。以上特征 只有管壁在高溫環境下工作時才會發生,且隨著溫 度的升高、時間的延長,氧化物厚度增加、球化級別 升高[4]。 

2.1 組織球化原因

該水冷壁管的交貨狀態一般為正火態,其顯微 組織為鐵素體+珠光體。正常工藝條件下管內介質 水的溫度為270 ℃,在此溫度下管壁顯微組織不會 發生球化,而實際檢驗結果是管壁珠光體組織發生 了球化,向火側顯微組織中片層珠光體形態已不存 在,片層狀的滲碳體完全轉變為顆粒狀,分布在晶 界,依據 DL/T 787-2001《火電廠用15CrMo鋼珠 光體球化評級標準》的要求判斷該管屬于重度球化。 水冷壁管實際運行過程中存在超溫運行情況,且溫 度越高,珠光體球化越嚴重,因此由珠光體球化級別 可以反推其實際服役溫度高于550 ℃。 

2.2 內壁產物形成原因分析

能譜分析結果表明,水冷壁管內壁產物中含有較多的鐵元素和氧元素。結合工況,水冷壁管管內 介質為水,一直處于循環狀態,正常工藝條件下水的 溫度為270 ℃左右,管內的水能夠很好地對管壁進 行冷卻,管壁不會發生超溫現象。但是金相檢驗結 果表明,管壁組織存在球化,因此判斷管壁存在超溫 運行情況。結合工藝,造成管壁溫度上升的原因只 能為管內介質的冷卻速率不夠,如水的流速較低、流 量較小。管壁處于高溫時,少量的水與管壁接觸即 發生氣化。在大于700℃的高溫環境下,高溫水、水 蒸氣將會發生分解,產生氧氣,高溫下水冷壁管和氧 氣反應生成 Fe3O4,Fe2O3 等氧化物,同時,分解將 會導致 水 中 的 氧 分 壓 升 高,使 管 壁 腐 蝕 更 加 嚴 重[5-6],反應式為 Fe+H2O=FeO+2[H] (1) 3Fe+4H2O=Fe3O4 +8[H] (2) 2Fe+3H2O=Fe2O3 +6[H] (3) 2H2O=2H2↑ +O2↑ (4) 產物層的主要成分應為 FeO,Fe3O4,Fe2O3,因 FeO 不穩定,在 有 氧 的 高 溫 環 境 下 會 繼 續 發 生 反 應,生成Fe3O4 和Fe2O3。因此,管內壁黑灰色產物 是金屬基體與高溫水發生氧化腐蝕反應的產物。 

2.3 碳元素含量偏高和外壁滲碳組織的形成原因 

設備出廠資料顯示水冷壁管的化學成分和顯微 組織均符合要求,而爆裂水冷壁管的化學成分分析 結果表明其碳元素含量偏高,金相檢驗中也發現管 外壁存在滲碳組織,說明該變化是在設備運行過程 中產生的。結合工藝,發生滲碳的管壁與氣化爐爐 膛相鄰,接觸介質為煤粉、H2、CO2、CO 和 CH4 等 氣體。介質中的煤粉和 CH4 在高溫下會發生分解, 產生活性碳[7],其反應式為 CH4 =2H2 + [C] (5) 2CO=CO2 + [C] (6) CO+H2 =H2O+ [C] (7) CO=[C]+1/2O2 (8) 正常運行時,爐膛溫度高于1000 ℃,滿足活性 炭的產生條件,大量活性炭的存在使爐膛內的碳勢 高于管材本身的,形成了碳勢差。在高溫環境下碳 會向金屬基體不斷地擴散,發生滲碳。滲碳的發生 與煤粉和 CH4 含量、爐膛溫度、壓力等因素有關, CH4 含量越高,碳勢越高,滲碳越容易發生;管外環 境溫度越高、壓力越高,越有利于滲碳的發生;當管 壁長期處于活性炭環境時一定會發生滲碳。所以, 該管外壁在此環境下就會發生滲碳反應,這也能說 明管壁化學成分中碳元素含量偏高是滲碳導致的。

2.4 外壁產物的形成原因 

宏觀觀察結果和金相檢驗中還發現,滲碳組織 外側還附著一層黑灰色產物,產物與基體金屬緊密 結合,局部過渡區存在空隙。因管外壁附著產物層 厚度小于2mm,質地較硬且與基體金屬緊密結合, 無法分離出獨立的產物進行 X 射線衍射分析。結 合工況,管外壁接觸介質為 CO 及 O2,在高溫環境 下易發生下列反應。 2Fe+O2 =2FeO (9) 3Fe+2O2 =Fe3O4 (10) 4Fe+3O2 =2Fe2O3 (11) 3Fe2O3 +CO=2Fe3O4 +CO2 (12) 外壁產物成分與內壁產物成分相近,區別在于 內壁產物是金屬基體與高溫水分解后產生的氧氣反 應的結果[8],而外壁產物是金屬基體與介質中的氧 氣直接發生反應的結果,這與能譜分析結果吻合。

2.5 組織球化及壁厚減薄對鋼管性能的影響

從以上檢驗結果可以看出,該爆裂水冷壁管存 在明顯的組織劣化和管壁減薄。對于低合金鋼,其 正常的顯微組織為鐵素體+珠光體,由于高溫作用, 珠光體內的片層狀滲碳體逐漸分解為球狀、顆粒狀, 分布在晶內和晶界。金相檢驗結果表明,該管發生 了嚴重的球化,珠光體的球化會降低鋼管的高溫強 度,尤其是屈服強度,所以管壁爆裂時的變形較小, 甚至在沒有變形的情況下即發生了脆性爆裂[2]。 宏觀觀察發現,該水冷壁管壁厚發生了明顯的 減薄,由原設計的8 mm 減薄至4 mm。為確定在 高溫運行狀態下,管壁減薄后是否能夠滿足其強度 要求,依據 GB/T20801.3-2006《壓力管道規范 工 業管道 第3部分:設計和計算》的技術要求對高溫 狀態的水冷壁管的強度進行校核。假設管壁實際運 行溫度為550 ℃,經計算,在該條件下,管壁最小厚 度為2.6mm。可見如果失效管材料未劣化,其現有 壁厚滿足強度要求,也間接證明管承載能力的降低 主要源于顯微組織的球化。 

2.6 爆裂原因 

正常工藝條件下,氣化爐水冷壁管的工作溫度為 270℃,對于15CrMoG鋼其最高使用溫度為550℃, 在此工藝條件下不會發生材料劣化。而在實際檢驗 過程中發現,管壁顯微組織中珠光體發生球化等現 象,這些特征表明該水冷壁管在服役過程中經歷了 550℃以上的高溫服役環境。結合工況,管外壁與爐膛相鄰,管壁溫度主要依靠管內鍋爐水的循環來降 低,如果水流量較小,不能及時帶走管外壁傳入熱量, 管壁就會超溫服役,即可能發生管壁材料劣化、高溫 氧化腐蝕(有效壁厚減小)等問題,尤其是組織劣化后 管壁強度會急劇下降[9-12],所以長期高溫服役、管壁 強度下降是導致水冷壁管爆裂的主要原因。

3 結論及建議

水冷壁管爆裂的根本原因是管內循環水流量偏 低,爐膛溫度過高,使水冷壁管處于高溫環境中,導 致管壁顯微組織中珠光體發生球化,材料強度降低, 進而引起水冷壁管爆裂。 建議提高水冷壁管內循環水流量至440t·h -1 (原操作流量為300t·h -1),增大水冷壁水系統流速 及流量,加強水冷壁盤管的熱交換,降低水冷壁管道 溫度,提 高 循 環 水 流 量 后 水 冷 壁 流 速 為 1.83~ 2.19m·s -1,管道水流量為2.41~2.94 m 3·h -1;根 據不同煤種及負荷調節氧煤比,避免過高的氧煤比 導致操作爐溫過高,合理的氧煤比為0.82~0.90;控 制水冷壁產汽量小于10t·h -1,水汽比大于44,以 及時帶走水冷壁熱量,避免水冷壁局部溫度過高。 經以上3項改進措施,該氣化爐維修后已連續運行 150d未發生水冷壁管爆裂事故。

來源：材料與測試網