氣化爐工藝燒嘴的延壽創新研究

馬文輝，趙 恒

（1.神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014000；2.北京航天動力研究所，北京 100176）

水煤漿氣化工藝燒嘴是水煤漿加壓氣化工藝的心臟，工藝燒嘴性能直接影響氣化爐的長周期安全穩定運行及氣化工藝的產品品質。本文以國內某煤制烯烴項目氣化裝置為研究對象，針對影響工藝燒嘴壽命的失效原因進行了分析，根據分析結果并結合實際運行情況，對燒嘴進行了創新改造。其中，著重對鈷基合金與鎳基合金的異種材料焊接工藝進行了分析研究，根據研究結果改進了工藝燒嘴的焊接工藝。創新成果經在線運行驗證，效果極其明顯。

1 工藝燒嘴失效分析

制約工藝燒嘴使用壽命的主要因素集中在燒嘴頭部的壽命。其損壞的形式主要集中為三類：外噴頭的龜裂、中噴頭的磨損、外噴頭與盤管焊縫裂紋[1]。

1.1 外噴頭端面龜裂

外噴頭常見的損壞形式是外噴頭端面出現徑向放射性裂紋及不規則裂紋，主要原因為：

（1）熱沖擊影響：由于外噴頭的端面向著爐內高溫工藝氣體，一般為1200℃～1500℃，金屬材料在這樣的高溫條件下長期工作，并受到高速煤漿、氧及回流工藝氣的沖刷，冶煉和鍛造過程中的所有缺陷均會逐漸暴露出來，形成不規則龜裂。

（2）化學影響：由于外噴頭處的氧氣濃度較高，金屬材料在高溫環境中會發生氧化反應。高溫情況下，金屬材料也會發生一定的滲碳，使金屬材料的成分和性能發生變化。另外，煤中的硫，也會使金屬表面發生高溫硫化腐蝕。

1.2 中噴頭的物理磨損

中噴頭的物理磨損是影響水煤漿氣化爐和整套工藝連續運行的主要因素之一。為了使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣化，必須用一定量的氧氣對水煤漿進行霧化，為達到良好的霧化效果，氣體流速須達到一定值。也就是說，預混合腔內的混合物（水煤漿、氧氣）流速須達到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固體顆粒，造成中噴頭內腔磨損嚴重。

1.3 外噴頭與盤管焊縫裂紋

冷卻盤管的損壞主要集中在盤管與外燒嘴焊接焊縫處出現裂紋。外噴頭為鈷基合金，而冷卻水盤管為鎳基合金，即異種鋼之間的焊接，難度極大，因而鎳基合金與鈷基合金之間的異種鋼焊接成為影響工藝燒嘴質量的重要因素之一。

2 工藝燒嘴創新改造措施

針對工藝燒嘴的失效形式及原因分析，對工藝燒嘴進行了創新改造。

2.1 強化外噴頭冷卻換熱

針對外噴頭熱裂情況，分析頭部冷卻換熱情況。利用CFD數值模擬技術對冷卻水腔進行了數值分析[2]。

將冷卻水入口處設為速度進口條件，出口采用壓力出口邊界條件，外壁面設定為定熱流邊界條件。

通過頭部水腔速度矢量計算結果可以看出冷卻水在尖角處速度遠低于腔內平均流速，甚至形成速度“空洞”，達不到沖刷冷卻外噴頭端面的目的，且此處緊貼外噴頭，冷卻水極易氣化，從而進一步堵塞尖角處的冷卻水，外噴頭端面的熱量無法及時被冷卻水帶走，在長時間的高溫作用下，尖角材料最容易發生金相失效，從而產生熱裂紋。以上表明，原進口工藝燒嘴設計尺寸及頭部冷卻水腔結構不合理。

經重新設計改造頭部水腔結構后，外噴頭龜裂顯著減輕。

2.2 提高中噴頭耐磨度

中噴頭的失效主要原因為中噴頭受到高速煤漿沖刷，導致的物理磨損。根據工藝燒嘴的開車工藝及工作環境，利用耐磨材料對中噴頭進行了耐磨損處理，經實際運行后發現，經耐磨處理后的中噴頭運行一周期后幾乎無磨損，在耐磨噴頭可連續使用數個周期。

2.3 優化外噴頭與盤管焊接工藝

外噴頭與盤管焊接涉及到鎳基合金與鈷基合金的焊接，即異種鋼之間的焊接，難度極大。迄今，國內外尚缺少二者焊接工藝的相關標準規范，各廠家均憑借相關經驗進行焊接，但在使用過程中不同程度的出現了一些問題。

表1 常用材料的化學成分

2.3.1 鈷基/鎳基焊接的數值分析

（1）焊接工藝：研究的Inconel600合金和UMCo50合金以及Co50、ERNiCr-3焊絲化學成分表1。

焊接采用手工鎢極氬弧焊，Inconel600合金同材料焊接時通常選用ERNiCr-3焊絲，Inconel600與Co50兩種不同材料焊接時通常選用Co50焊絲，焊絲規格均為φ2.4mm。

（2）有限元模型：模型為Inconel600管材及Co50管材，規格為φ42.2×3.56mm，長100mm，為管狀對接焊型式，V型坡口，坡口角度為60°，鈍邊0.6mm，采用鎢極氬弧焊，坡口填充物為ERNiCr-3焊絲，焊接參數為：直流80A，電壓24V，平均焊接速度3mm/s。電弧視為高斯分布的三維熱流，沿x軸運動給定對流換熱邊界條件[3]。

式中：q0為加熱源中心最大比熱流，U為電弧電壓，I為電流，v為焊接速度，R為管材半徑，r為點（x,y,z）到電弧中心的距離，G為電弧熱效率，rb為選取的電弧有效加熱半徑。給定對流換熱邊界條件。

（3）溫度場及應力場結果及分析：鎳基/鈷基異種鋼焊接溫度場沿焊縫中心線軸不對稱，分析其原因在于Inconel600和Co50合金的導熱性能有一定差異，因此需要減小焊接電流及焊接速度，給溫度傳導提供一定時間，從而促進溫度場的均勻分布。

據動態溫度模擬結果，進行應力耦合分析，忽略應力場對溫度場的作用。應力殘余主要集中在離開焊縫中心一定距離的熱影響區，峰值集中在熱影響區與母材過渡部位。

綜上，模擬計算結果與Inconel600與Co50合金在實際使用中焊接焊縫開裂的趨勢基本一致，原因和焊接電流和焊接速度過大有關，因此，為了加強鎳基/鈷基異種合金的焊接質量，需要在鎳基合金的焊接上進行工藝改進。

2.3.2 鈷基/鎳基焊接的試驗分析

（1）焊縫失效金相分析：在工藝燒嘴的使用過程中，焊縫損壞部位主要發生在盤管（Inconel600）與盤管焊縫、盤管與短接管（Co50）焊縫，且裂損部位均發生在過渡區即焊縫熱影響區的INCONEL合金側，開裂情況基本一致。其中，盤管和短接管規格均為φ42.2x3.56mm，Inconel600管焊絲選用ERNiCr-3，Inconel600與Co50管 焊 絲 選 用Co50，規 格 均 為φ2.4mm，Inconel600盤管為多次重新焊接使用后的舊件。

對Inconel600與Co50管焊縫、Inconel600管焊縫部位線切割取樣，然后進行金相組織分析（X100），實驗設備為Leica圖像分析儀，金相腐蝕劑選用鈷基合金和鎳基合金的標準腐蝕劑：Co50合金為鹽酸+雙氧水，Inconel600合金為硫酸銅+鹽酸+乙醇。

對Inconel600管焊縫處的金相觀察可見，Inconel600管焊縫處組織仍較為致密，Inconel600管材未見晶粒長大現象，在接近焊縫過渡區部位有裂紋出現。并在焊接區域出現一定數量的雜質，分析認為施焊的Inconel600管材經多次焊接后，母材接近焊接區域的材質也發生了成分變化，導致焊接質量下降。

金相觀察可見Inconel600與Co50兩種材料焊縫處裂紋主要起始于焊接區域的鑄態組織里，沿著粗大的樹枝晶晶界發生延展，熱影響區的Inconel600側邊緣晶粒粒度變大，而Co50側邊緣、Inconel600和Co50母材的晶粒粒度較為均勻。

綜上，對鈷基/鎳基異種鋼焊接時，在焊絲材料選擇上需進行重新考慮，以匹配焊接性能較差的鎳基合金的焊絲材料，并且必須選用質量穩定合格的焊絲，焊接時需將熱影響區徹底清除后方可進行施焊。

（2）焊縫理化檢測分析：據以上分析，主要對鈷基/鎳基異種鋼的焊接選用不同焊絲進行了理化試驗檢測。

共制作試驗件6件，編號分別為1、2、3、4、5、6。6件均由同一焊接技師在相同工藝條件下焊接而成，經RT檢測后，焊縫質量均為Ⅰ級合格。最終，由檢驗人員隨機選定3、4號進行拉伸試驗對比分析，5、6號進行彎曲試驗對比分析。

拉伸及彎曲試驗數據見表2、表3。

表2 拉伸試驗測試數據表

表3 彎曲試驗結果

通過拉伸和彎曲試驗結果表面明，采用ERNiCr-3焊絲的試件抗拉性能和抗彎曲性能均優于采用Co50焊絲的試件。因此，在后續的焊接中應改用性能更適合鎳基合金的鎳基材料焊絲，以保證焊接質量，減緩裂紋產生的時間。

2.3.3 工藝改進

經過數值分析及試驗分析后，表明目前鈷基/鎳基合金的焊接工藝存在不合理之處。其中，焊絲的選取應盡量選擇匹配鎳基合金的材料。同時，為加強焊接區域溫度場和應力場的均勻，應減小焊接電流和焊接速度，同時須保證管壁完全焊透。

鑒于此，本文在焊接工藝方面進行了改進。經新焊接工藝施焊后的工藝燒嘴上爐使用后未出現外噴頭與盤管開裂現象。

3 結論

本文分析研究了影響氣化爐長周期運行的工藝燒嘴的失效因素，根據分析結果對工藝燒嘴進行了創新改造；利用有限元分析，模擬了鎳基/鈷基異種鋼焊接的溫度場和應力場，并根據實際使用效果對焊絲的選擇進行了金相和理化分析，根據分析結果對當前鈷基/鎳基焊接工藝進行了改進。

經過對工藝燒嘴失效原因分析后，對工藝燒嘴外噴頭水腔結構改進設計、對中噴頭進行耐磨技術處理、對外噴頭與盤管異種鋼采取新焊接工藝施焊，創新改造后的燒嘴上爐進行實際運行驗證，取得了良好的效果。改進后工藝燒嘴平均單周期連續運行達90天以上，最長超過100天。