粗合成氣生產用氣化爐水冷壁管爆裂原因

杜少華, 方 興, 劉 斌

(中安聯合煤化有限責任公司, 淮南 232000)

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φ38 mm×8 mm，工作壓力為5.5 MPa，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。

圖1 氣化爐錐段水冷壁結構示意圖Fig.1 Structure diagram of water wall in conical section of gasifier

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4 mm，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4 mm，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/T5310-2017《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。

圖2 爆裂水冷壁管宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of burst water wall tube

表1 水冷壁管化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of water wall tube (mass fraction) %

圖3 爆裂水冷壁管不同位置的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of burst water wall tube at different positions:a) fire side center; b) back fire side center; c) near the inner wall of fire side; d) near the outer wall of fire side

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。

圖4 向火側管壁產物形貌Fig.4 Morphology of products on fire side tube wall: a) inner wall; b) outer wall

圖5 向火側管壁產物能譜分析位置及結果Fig.5 Energy spectrum analysis positions and results of products on fire side tube wall:a) analysis position of inner wall; b) analysis position of outer wall: c) analysis results of inner wall; d) analysis results of outer wall

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1 000 ℃，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2 mm，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/T 20801.3-2006《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2.6 mm?？梢娙绻Ч懿牧衔戳踊?，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440 t·h-1(原操作流量為300 t·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1.83～2.19 m·s-1，管道水流量為2.41～2.94 m3·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10 t·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150 d未發生水冷壁管爆裂事故。