氣化爐煤粉燒嘴Inconel 600開裂原因

田 曉，秦承鵬，徐 慧，曹劍峰

（西安熱工研究院有限公司，西安710032）

煤氣化作為一種潔凈煤技術在我國備受關注，同時該技術因對煤種適應性廣、氣化溫度高、耗氧量少、單臺設備能力大、有效氣產量高、環保效果好等特點具備了最廣闊的發展前景[1]。但是，煤粉氣化爐燒嘴的使用壽命短，正常周期為90d左右。燒嘴在服役過程中常出現冷去水盤管損壞，中噴頭物理磨蝕，熱、化學、應力使外噴頭受損等失效方式，制約氣化爐長周期運行，并直接影響經濟效益。為此國內科研院所對燒嘴結構設計、形式、材質等多方面進行研究，期望提高其使用壽命。

某電站氣化爐自2012年4月17日首次點火后，至今已累計運行2 459h。2013年8月30日停車開爐檢查發現3號燒嘴頭部裂紋變深，該燒嘴于2013年3月14日投入使用，累積運行1 013h，服役期間氣化爐啟停6次。在運行過程中，燒嘴經常出現頭部中心孔處嚴重開裂現象。為查明燒嘴頭部開裂原因，對3號燒嘴進行試驗分析。

1 宏觀檢查

3號燒嘴宏觀照片見圖1。燒嘴頭部表面存在大量黃褐色或黑色腐蝕產物，中心孔周圍有徑向擴展的放射性裂紋，裂紋長度在3～8mm左右。

圖1 氣化爐3號燒嘴宏觀形貌照片Fig.1 Macroscopic appearance of the burner

2 維氏硬度測試

對燒嘴端面試樣進行顯微硬度測試，測量結果見表1。由試驗結果知，燒嘴頭部中心孔處的裂紋試樣硬度低于燒嘴中間部位試樣的硬度。

表1 維氏硬度測量結果Tab.1 Vickers hardness test results

3 低倍形貌及金相組織分析

對燒嘴頭部中心孔處和燒嘴頭部中間位置進行低倍形貌觀察，結果見圖2～圖4。由圖1可見，燒嘴頭部的裂紋起源于中心孔，沿中心孔的徑向向外擴展；由燒嘴外壁向內擴展，裂紋內嵌有較多腐蝕產物，而在燒嘴中間部位試樣未觀察到裂紋。

圖2 燒嘴中心孔處試樣外表面的低倍形貌（50×，未侵蝕）Fig.2 Low－magnification appearance of the surface of the burner center（50×，not etched）

圖3 燒嘴中心孔處試樣橫截面的低倍形貌（50×，未侵蝕）Fig.3 Low－magnification appearance of the cross section of the burner center（50×，not etched）

所制的金相試樣結果見圖5～圖8，金相組織為γ相，未見異常。中心孔處試樣晶粒度為2～4級，且個別晶粒尺寸較大；中部位置試樣晶粒度為6級，晶粒非常細小均勻。中心孔處試樣裂紋尖端較為尖銳，裂紋內存在較厚的腐蝕產物，裂紋主要以沿晶方式擴展。

圖4 燒嘴中間部位試樣的低倍形貌（100×，未侵蝕）Fig.4 Low－magnification appearance of the sample in the middle part of the burner（100×，not etched）

圖5 燒嘴中心孔處試樣金相照片（100×）Fig.5 Microstructure of the sample at the burnercenter（100×）

圖6 燒嘴中間部位試樣金相照片（100×）Fig.6 Microstructure of the sample in the middle part of the burner（100×）

圖7 燒嘴中心孔處試樣外表面裂紋尖端形貌（100×）Fig.7 Microstructure of the crack tip at the surface of the burner center（100×）

圖8 燒嘴中心孔處試樣橫截面裂紋尖端形貌（100×）Fig.8 Microstructure of the crack tip at the cross section of the burner center（100×）

4 掃描電鏡及能譜分析

對燒嘴頭部中心孔處裂紋進行掃描電鏡及能譜分析，結果見圖9及表2～表3。中心孔處裂紋沿晶擴展，裂紋內部存在腐蝕產物，經能譜分析知該腐蝕產物中碳、硫、氧元素含量較高，可見腐蝕產物主要為鎳的硫化物和氧化物。

圖9 燒嘴頭部中心孔處試樣裂紋SEM形貌Fig.9 SEM photographs of the sample around the burner center

表2 裂紋內部腐蝕產物EDS分析結果（未侵蝕）Tab.2 EDS testing results of the corrosion products in cracks（not etched）

表3 裂紋內部腐蝕產物EDS分析結果（王水侵蝕）Tab.3 EDS testing results of the corrosion products in cracks（aqua regia etxhed）

燒嘴中心孔內煤粉、水蒸汽和氧氣三者混合物在高溫下發生氣化反應，煤粉中的硫等雜質轉變為硫化物存在于氣化爐高溫氣氛中。因此，硫在高溫條件下與燒嘴頭部的鎳基合金發生反應，硫原子優先沿鎳基合金的晶界擴散形成硫化物[2]，形成沿晶擴展裂紋[3]；晶界上的硫化物隨后發生氧化形成氧化物，所釋放出來的游離態硫在鎳基合金未腐蝕的晶界繼續擴散形成新的硫化物，使硫化區域不斷向縱深方向發展[4]，同時裂紋不斷沿晶界向內擴展并在裂紋內部形成硫化物和氧化物。

5 燒嘴開裂原因分析

根據試驗結果知，燒嘴頭部的裂紋主要集中在中心孔周圍，裂紋起源于中心孔處，沿徑向呈放射狀，由外壁向內擴展，裂紋長度在3～8mm之間。燒嘴頭部（Inconel 600）的化學成分符合 ASTM B564的相關要求。燒嘴頭部中心孔處的硬度較中部無裂紋處的硬度低，中心孔處的晶粒度為2～4級、個別晶粒尺寸較大，而中部無裂紋部位的晶粒度為6級、晶粒非常細小均勻。通過掃描電鏡及能譜分析發現，裂紋內部的腐蝕產物主要為硫化物和氧化物。

根據以上分析認為，燒嘴中心孔處溫度較高，在氣化爐啟停時因燒嘴頭部冷卻水不足，出現超溫導致中心孔處的鎳基合金局部晶粒長大，過大晶粒引起硬度下降。在高溫條件下，煤粉中的硫氣化后形成硫化物而存在于氣化爐的氣氛中，燒嘴頭部中心孔處的溫度較高、環境最為惡劣，該部位的鎳基合金優先在硫的作用下發生高溫硫腐蝕，形成中心孔向外放射發展的裂紋，且裂紋內部充滿了硫化物和氧化物。在反復啟停過程中，燒嘴中心孔處的熱應力進一步加劇沿晶裂紋的擴展，使得燒嘴中心孔周圍的裂紋不斷加深。

6 結論

該電站氣化爐燒嘴裂紋為在高溫條件下氣化爐中的硫優先與鎳基合金發生高溫硫腐蝕造成的。氣化爐反復啟停過程中，中心孔處超溫晶粒過大引起硬度下降，中心孔處的熱應力進一步加劇裂紋的擴展，最終使得燒嘴頭部中心孔處宏觀開裂。Inconel 600在有硫環境中易發生腐蝕，建議選用耐硫腐蝕性能較好的高溫合金，如Inconel 740等。

[1]郭文元.大型干煤粉氣化爐的技術特點[J].石油化工設備技術，2005，26（5）：10－22.

[2]陳斌，侯洪文，鐘彥平，等.氣化爐燒嘴失效分析[J].理化檢驗－物理分冊，2005（增刊）：348－352.

[3]朱日彰，齊慧濱，黃震中，等.金屬材料的高溫硫腐蝕中的若干問題（2）[J].石油化工腐蝕與防護，1995（4）：55－57.

[4]莊東漢.材料失效分析[M].上海：華東理工大學出版社，2012：330.