E-GAS氣化高溫余熱鍋爐入口耐磨套管故障分析

熊江

摘 要：介紹了E-GAS氣化工藝高溫余熱鍋爐管束入口耐磨套管損壞的情況，采用宏觀觀察、金相、掃描電子顯微鏡，能譜分析等失效分析方法和物理檢測方法研究了高溫余熱鍋爐管束入口耐磨套管損壞的性質及原因，結果表明耐磨套管失效性質主要為鑄造缺陷，針對該問題提出了改進建議。

關鍵詞：高溫余熱鍋爐;耐磨套管;Stelli6合金;鑄造

1 工藝說明

某石化煤制氫裝置采用E-Gas氣化技術，使用兩段式水煤漿加壓工藝生產合成氣，同時副產超高壓蒸汽。E-Gas氣化爐產出的合成氣通過高溫余熱鍋爐管層與殼體高壓鍋爐水換熱后溫度由800℃降低330℃后進入下游設備處理，由于合成氣中夾帶有固體顆粒，為了防止余熱鍋爐管束磨損泄漏，在每根管束入口設置了一根耐磨套管，耐磨套管失效后容易導致換熱管束磨損、泄漏。

2 耐磨套管損壞情況描述

該石化煤制氫裝置高溫余熱鍋爐2018年10月1日投入使用，2019年3月5日檢修時發現有少量入口耐磨套管出現斷裂。耐磨套管材質為Stelli6合金，服役溫度為800℃，

服役壓力為4.27MPa，套管深入換熱管束內100mm左右，合成氣介質主要成分為CO、H2S、H2、CO2、焦粉，含量見下表1，耐磨套管承受介質長期高溫、固體沖刷、腐蝕及交變熱應力作用，為了便于故障分析，將斷裂的套管取樣進行全面分析。

3 檢驗分析

3.1 耐磨襯套管的宏觀、低倍分析的宏觀、低倍分析

對送檢樣品觀察發現，襯套一端發生嚴重開裂，形成多塊碎片，如圖1所示。襯套外表面光滑，無明顯腐蝕、劃傷等痕跡，內表面有凹凸感，并覆蓋一層黑色產物，去除浮灰后發現部分產物與襯套基體結合力較好。

圖2為襯套斷口在體式顯微鏡下的形貌，可以看出，斷口表面比較平整，無明顯起伏，因部件斷裂后仍服役一段時間未能及時取下，陳舊斷口大部分已發生磨損和腐蝕，斷口表面覆蓋一層黑褐色產物。

3.2 組織形貌分析

取襯套管截面試樣，經封裝、研磨、拋光后，在光學顯微鏡下觀察顯微組織形貌?？梢钥闯觯r套管的組織為典型的枝晶形貌，枝晶片層無序排列，有的并行排列，有的交錯排列形成編織狀結構，如圖3所示。

3.3 斷口電鏡分析

從襯套管斷口磨損較輕的部位選取試樣，在掃描電鏡下觀察斷口形貌。由圖4可見，斷裂由外表面向內表面發展并最后斷裂的，斷口比較平整，呈現脆性斷裂特征。此外，斷口上可見大量疏松缺陷，并且疏松缺陷多靠近襯套管外表面。

經能譜分析，襯套管斷口上及內壁覆蓋的黑褐色產物為金屬氧化物，如圖5所示。該金屬氧化產物是在襯套管服役過程產生的，對襯套管的服役性能不會產生較大影響。

3.4 分析與討論

耐磨套管為Stellite6 合金材質。司太立（Stellite）是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的硬質合金，即通常所說的鈷基合金，是以鈷作為主要成分，并含有相當數量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素。該合金具有良好的性能，可以耐受氣蝕，耐沖擊，耐熱沖擊和多種腐蝕介質，在赤熱狀態下能保持很高的硬度（冷卻后可以恢復原來的硬度），在既有磨損又有腐蝕的環境中非常實用。

耐磨套管是鑄造生產的，而鑄件在生產加工過程中由于澆鑄溫度、冷速控制、鑄件結構設計等多種因素的作用很容易產生各種缺陷，如疏松、縮孔等，各種鑄造缺陷的存在會不同程度的降低材料的性能，對材料的服役均會產生很大的影響。

合金在凝固過程中，由于液態收縮、凝固收縮和固態收縮，往往在鑄件最后凝固部位出現大量彌散的、形狀不規則的微小孔洞即為疏松。在鑄造生產中，當合金澆注鑄型、冷卻至常溫直至形成鑄件，整個過程通常會發生三種收縮，一種是液態體積收縮，即金屬液自澆注溫度降至合金的液相線溫度所發生的體積縮減;第二種是凝固時的體積收縮，即金屬液由液態轉變為固態、液態并存時的體積縮減;第三種是固態收縮，即從線收縮開始溫度降至常溫所發生的體積縮減。這三種收縮的結果使鑄件產生體積虧損，如果鑄件產生的體積虧損不能及時通過合金液來補償，就會形成疏松。因此疏松的產生主要是合金液補縮不足造成的，形成的根本原因是鑄造合金的收縮性。這種缺陷一般出現在鑄件的厚大部位、最后凝固部位或補縮不到的部位，與鑄件的工藝方案設計、順序凝固條件、澆注溫度等都有一定關系。疏松缺陷不僅破壞鑄件質量，使產品合格率降低，而且會減小鑄件有效承載面積，特別是對于承載零件會在缺陷處造成應力集中，極易使零件在服役時斷裂失效，成為危險隱患。

通過耐磨套管斷口形貌分析表明，襯套管斷口上存在大量嚴重的疏松缺陷，這些疏松的存在大大減小了襯套管的有效承載面積，顯著降低了材料的服役強度，在后續服役時，在受到熱交變應力、介質沖擊等作用下，襯套管容易在疏松缺陷處發生開裂而導致失效。

4 結論及改進措施

襯套管發生斷裂的原因是，襯套管在鑄造生產時形成了大量疏松缺陷，這些疏松缺陷的存在降低了材料的承載強度，由此導致發生脆性斷裂失效。根據目前使用情況擬采取以下改進措施：①改進Stelli6合金耐磨套管的鑄造工藝，提高套管的鑄造質量;②嘗試使用其他高溫耐磨材料，如使用氮化硅陶瓷材料，能提高耐磨套管的抗熱沖擊性及耐磨性。

參考文獻：

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