殼牌氣化爐激冷口盤管損壞原因分析及改進

郎啟富

（云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338）

1 前言

殼牌煤氣化技術屬于氣流床氣化工藝。所謂氣流床氣化，就是在固體燃料氣化過程中，氣化劑（氧和蒸汽）和粉煤一起進入氣化爐進行疏相并流氣化。疏相并流氣化是指固體微粒隨氣流運動時，煤粒被氣流隔開，每個顆粒都能單獨膨脹、軟化、燒盡（或形成熔渣）而與鄰近的顆粒不相干。由于反應在高溫火焰中進行，因此燃料顆粒及其釋放出來的氣態烴都將通過一個溫度極高的區域，并在此區域中迅速氣化和分解，使粒度很細的粉煤在塑性階段的凝聚無生從發。

殼牌煤氣化技術多采用殼牌粉煤氣化工藝。通過將粉煤和氧氣/蒸汽混合物并流噴入氣化爐，在高溫高壓的環境中瞬間迅速著火進行反應。最終形成以CO和H2為主要成分的煤氣離開氣化爐。到目前為止，已投產的殼牌煤氣化裝置在運行過程中均出現激冷口盤管損壞泄漏而導致整個裝置停車的情況。為解決這一難題，我公司多次與殼牌公司、同行業溝通、交流并結合國內外先進經驗及我公司現場實際對激冷口盤管損壞原因進行分析及如何避免、檢修優化。

2 殼牌氣化爐結構

氣化爐結構示意圖見圖1。

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3 殼牌氣化爐工藝流程

煤粉與輸送煤粉用的高壓氮氣經計量后輸送到氣化爐內的煤燒嘴中心管，由煤燒嘴中心管噴入氣化爐內；從空分來的高壓氧氣經氧氣預熱器預熱到180℃后進入氧/蒸汽混合器。在氧/蒸汽混合器中，預熱后的氧氣與從界區外送來的過熱蒸汽按比例混合后從煤燒嘴環隙噴入氣化爐。在氣化爐內，氧/蒸汽混合物與煤粉在壓力4.0MPa，溫度1400～1600℃的環境下發生部分氧化反應。反應生成的粗合成氣離開氣化爐頂部，在激冷段被來自循環氣壓縮機的激冷氣激冷到900℃，以便將粗合成氣攜帶的液態渣固化和冷卻成沒有黏性的飛灰顆粒。激冷后，粗合成氣通過輸氣管進入合成氣冷卻器，經回收熱量后，溫度降至340℃左右，進入高溫高壓飛灰過濾器過濾；氣化產生的溶渣沿氣化爐膜式壁流入渣池。

氣化爐用點火燒嘴進行點火，用液化氣作燃料，在氣化爐內與按比例加入的儀表空氣燃燒，所產生的煙氣經合成氣冷卻器、高溫高壓飛灰過濾器，再經文丘里洗滌器、洗滌塔冷卻后用開工噴射器抽出排空。氣化爐用開工燒嘴進行開車，用開工燒嘴柴油泵送來的柴油作燃料，在氣化爐內與高壓氧氣燃燒，給氣化爐升溫。開工燒嘴投運時，使用高壓工藝水冷卻開工燒嘴，出開工燒嘴的冷卻水返回工藝水緩沖槽。當氣化爐溫度升高后，開啟煤燒嘴，4個煤燒嘴全部投運后轉入正常生產。初期不合格的煤氣經火炬燃燒后放空。

4 激冷段部件簡介

激冷段部件如圖2所示。

圖2 激冷段部件

激冷段部件主要由外殼體1、激冷區2和激冷膜式壁管3三個部分組成。外殼體材質為Cr-Mo耐熱鋼，內襯耐火材料。

激冷區有兩個作用：第一個作用是將濕洗單元經過冷卻過濾后的溫度約為200℃的合成氣與反應段頂部流出的溫度約為1500℃的高溫合成氣混合（比例大約為1∶1），混合后的合成氣溫度驟降到900℃左右；第二個作用是該處配置192根高壓氮氣噴吹管將氮氣送入此處，由噴吹管進行噴吹，便可減少或清除掉氣化段出口區域積聚的灰渣。激冷區域部件材質為INCOLOY合金，可承受腐蝕與高溫。

5 激冷口盤管簡介

激冷口盤管如圖3所示。

激冷口盤管共由 2根 φ38×7.1，材質為1.7335的管子繞成7圈而成。管子之間用1.7335材質的圓鋼填充密封焊，管子2堆焊INCOLOY625耐磨層。由這7圈盤管組成的平臺（也稱激冷底部清潔區）上的積灰由192根高壓氮氣噴吹管進行吹掃，便可減少或清除掉氣化段出口區域積聚的灰渣。

圖3 激冷口盤管

6 激冷口盤管損壞原因分析

6.1 熱疲勞裂紋

金屬零部件在環境溫度不恒定的、急劇反復變化的高溫條件下工作，當膨脹和收縮受到約束時，在其內部會產生溫差熱應力。且熱應力隨著溫度的反復變化而變化，從而使材料受到疲勞損傷而產生熱疲勞裂紋。如圖4。

6.2 磨蝕

1）第1,3,4,5,6,7圈環管材質為1.7335，第2圈基層材質為1.7335，表面堆焊INCOLOY625。1.7335屬于珠光體耐熱鋼，堆焊層INCOLOY625為鎳基材料。由于長時間在高溫、粉粒條件下工作，管子上表面嚴重磨損。

2）192根高速氮氣吹掃管長時間對這7圈環管組成的平臺進行吹掃導致環管上表面嚴重沖刷、磨損（如上圖中橢圓內坑窩）。

圖4 熱疲勞裂紋示意圖

7 避免盤管損壞措施

1）避免管子溫度急冷急熱反復變化。如控制好停車降溫速度、水汽系統升溫速率及排水時的溫度。

2）嚴格按焊接工藝規程和作業指導書要求施焊。做到焊前預熱、焊后消氫并嚴格控制好溫度。

3）安裝192根高速氮氣吹掃管時盡量使其管口上揚，以減小對管子上表面的沖刷與磨損。

4）管子表面堆焊后的總厚度應與原來的管子厚度接近，相差不宜過大，以避免較大的溫度梯度。

8 損壞盤管修補

更換部分對接焊縫采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面，補焊部分采用焊條電弧焊堆焊。用角向磨光機打磨待焊接表面及兩側，直至待堆焊坡口露出金屬光澤，具體工藝過程如下：

8.1 坡口表面清理

手工清除坡口表面粉塵等雜質后，采用角向磨光機或內磨圓打磨坡口表面的氧化皮及未清除干凈的粉塵等雜質；坡口表面修磨平整、圓滑、不得存有尖角。坡口表面及周圍20mm范圍內的銹蝕、油污等雜物必須清除干凈，打磨至露出金屬光澤。

焊接前坡口表面做100%PT檢測，確認無裂紋及其他缺陷（如圖5）。

圖5 坡口表面清理

8.2 焊前預熱

現場預熱采用火焰加熱，對待焊表面及周圍100mm范圍內進行預熱，預熱溫度為150℃，保持恒溫約10min后開始焊接。預熱時，坡口及邊緣需均勻加熱。

8.3 焊接方法和焊材選用

對接焊縫采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面（如圖6）；

圖6 焊接方法示意圖

氬弧焊絲選用 H13CrMoA/φ1.6，焊條選用R307/φ3.2。堆焊部分采用焊條電弧焊堆焊，焊材選用ENiCrMo-3/φ3.2。焊條電弧焊時采用小電流多層多道焊。R307焊條使用前必須經過350℃烘干并保溫1hENiCrMo-3焊條使用前必須經過150℃烘干并保溫1h，烘干的焊條應放在100℃保溫箱內，焊接時用保溫桶隨取隨用。

8.4 補焊工藝及技術要求

①對接焊縫組對坡口要求如圖7所示。

圖7 對接焊縫坡口

堆焊焊縫如圖8所示。

圖8 堆焊焊縫示意

②焊接工藝參數

鎢極氬弧焊焊接工藝參數見表1。

表1 氬弧焊工藝參數

焊條電弧焊焊接工藝參數見表2。

③焊接時要連續施焊，若中斷焊接，應采取保溫措施；再次施焊時應先預熱焊件。焊接過程中，層間溫度應等于或高于預熱溫度，且不得低于150℃，若層間溫度低于預熱溫度，應重新預熱。

表2 焊條電弧焊工藝參數

④焊接時，焊條不應做過大的橫向擺動，擺動幅度不得超過焊條直徑的3倍。

⑤每層焊接后及時清除焊渣，補焊過程中若發現焊縫有裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時，應及時消除后才能繼續焊接。

⑥選用有相應資質的技能熟練焊工進行施焊。

⑦焊接完成后進行消氫（后熱）處理，消氫溫度為300～350℃，恒溫0.5h。

對焊縫外觀檢查合格后，進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

8.5 修補前后對照

盤管修復前后對比見表3。

表3 損壞盤管修復前后對照表

9 結語

通過對激冷口盤管損壞的原因分析、如何避免盤管損壞及損壞盤管修復，延長了運行周期，降低了檢修成本。作為一名工程技術人員我對裝置的優化運行和改進，將永不停息。