我國(guó)能源結(jié)構(gòu)具有多煤、貧油、少氣的特點(diǎn),因此必須充分利用煤炭資源的優(yōu)勢(shì)。隨著碳中和、碳達(dá)峰任務(wù)目標(biāo)的提出,國(guó)家對(duì)清潔能源的需求不斷加大,煤炭的清潔化利用技術(shù)也越來(lái)越得到重視,其中最為關(guān)鍵的技術(shù)是煤的氣化技術(shù),即將煤炭潔凈、高效的氣化為氣體(CO＋H2)[1]。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛是水煤漿氣化和粉煤氣化工藝[2]。

水煤漿氣化爐是以水煤漿為原料、氧氣為氣化劑的加壓氣化技術(shù),具有可適應(yīng)多煤種、氣化轉(zhuǎn)化率高、廢渣可作為建筑材料再利用等優(yōu)點(diǎn)[3],其氣化工藝過(guò)程為：將水煤漿與高純度氧氣混合,經(jīng)氣化爐頂部的氣化燒嘴輸送到氣化爐燃燒室中,在6.5 MPa、1 320 ℃工況下進(jìn)行氧化反應(yīng),生產(chǎn)出含有CO、H2、CO2、H2O等的粗合成氣體；將粗合成氣體、熔渣與來(lái)自灰水循環(huán)泵的黑水混合,混合物沿下降管旋轉(zhuǎn)下降,進(jìn)入氣化爐激冷室完成粗合成氣水浴；氣體進(jìn)入炭洗塔,熔渣冷卻固化,進(jìn)入鎖斗的排渣系統(tǒng)中,激冷室的工作溫度約為250 ℃。

依據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)某煤化工企業(yè)氣化爐開展定期檢驗(yàn),設(shè)備在2012年6月投入運(yùn)行,其燃燒室的工作壓力為6.5 MPa,工作溫度為1 320 ℃,介質(zhì)為高溫煤氣、熔渣；激冷室工作壓力為6.5 MPa,工作溫度為253 ℃,介質(zhì)為CO、H2、CO2、H2O、H2S、熔渣等。在對(duì)激冷室內(nèi)表面接管及筒體進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)在激冷室液相部分的接管和筒體堆焊層存在裂紋。筆者對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn),以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

激冷室液相部分接管處裂紋的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋呈網(wǎng)狀及樹枝狀形貌,長(zhǎng)度為10～300 mm,裂紋主要分布在上次檢驗(yàn)時(shí)的裂紋修補(bǔ)區(qū)、焊縫熔合線和熱影響區(qū),將裂紋打磨掉約2 mm,裂紋仍清晰可見,呈應(yīng)力腐蝕開裂特征；在激冷水進(jìn)口接管處發(fā)現(xiàn)一條環(huán)向、穿透性裂紋,長(zhǎng)度約為200 mm。

圖 1激冷室液相部分接管處裂紋的宏觀形貌

激冷室筒體堆焊層的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：筒體表面發(fā)現(xiàn)大量點(diǎn)蝕坑微裂紋及腐蝕坑,裂紋由點(diǎn)蝕坑向外擴(kuò)展,呈密集的樹枝狀。

圖 2激冷室筒體堆焊層的宏觀形貌

1.2 水質(zhì)分析

對(duì)氣化爐底部的黑水取樣并進(jìn)行分析,檢測(cè)試樣中氯化物的含量。依據(jù)GB/T 11896—1989 《水質(zhì)氯化物的測(cè)定 硝酸銀滴定法》對(duì)試樣的氯離子濃度進(jìn)行分析,結(jié)果顯示氯離子濃度為216 mg/L,表明氣化爐液相介質(zhì)中存在大量的氯離子,材料易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

按照GB/T 6920—1986 《水質(zhì)pH值的測(cè)定 玻璃電極法》對(duì)黑水進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示黑水呈酸性。

1.3 金相檢驗(yàn)

利用砂輪機(jī)在氣化爐堆焊層裂紋處取樣,按照GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：氣化爐堆焊層材料組織為典型的奧氏體[4],晶粒較粗大,存在裂紋源；裂紋擴(kuò)展后呈樹枝狀分布,有分叉,呈穿晶特征,為典型的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂裂紋[5]。

圖 3氣化爐堆焊層裂紋處顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在氣化爐堆焊層裂紋處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行SEM及能譜分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋呈穿晶擴(kuò)展特征,裂紋末端有分叉,未發(fā)現(xiàn)沿晶開裂特征；裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物元素組成較復(fù)雜,位置1,2處氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.1%和4.4%,鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.8%和11.0%,低于GB/T 20878—2009 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》的要求(16.0%～18.0%),接近不銹鋼具有耐腐蝕性要求的最低鉻元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.5%),位置1,2處鎳元素含量較少。在對(duì)氣化爐進(jìn)行停工檢修時(shí),用高壓水槍對(duì)其內(nèi)壁進(jìn)行沖洗,大量的氯化物會(huì)被溶解沖走,因此試樣中實(shí)際氯元素含量更高。

圖 4堆焊層裂紋處SEM形貌及能譜分析結(jié)果

2. 綜合分析

2.1 點(diǎn)腐蝕

激冷室筒體堆焊層中同時(shí)存在點(diǎn)蝕坑微裂紋和腐蝕坑,且點(diǎn)蝕坑微裂紋連接成片。氣化爐激冷室底部黑水呈酸性,因?yàn)榇趾铣蓺馑≈泻写罅縃2S。激冷室內(nèi)部氧氣含量較高,滿足奧氏體不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的必要條件。裂紋處Cr元素含量較低,因此在點(diǎn)蝕發(fā)生后Cr原子被排擠,使材料難以形成致密的保護(hù)膜,鈍化膜的修復(fù)能力顯著降低。不銹鋼堆焊層表面可能存在金屬夾雜物、表面相組織以及成分不均勻等缺陷,進(jìn)而誘發(fā)金屬發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

不銹鋼表面具有一層致密的保護(hù)膜,氯離子半徑較小,極易從不銹鋼表面的鈍化膜孔隙中穿透至金屬表面,并與金屬原子形成可溶性氯化物,使不銹鋼表面鈍化膜失效。在氯離子含量較高的環(huán)境下,點(diǎn)腐蝕形成的內(nèi)孔金屬不斷溶解,且酸性環(huán)境會(huì)使金屬溶解進(jìn)一步加快,因此點(diǎn)腐蝕坑不斷加深擴(kuò)展。

2.2 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕是金屬材料在應(yīng)力與特定環(huán)境下的綜合作用。氣化爐運(yùn)行時(shí),內(nèi)部處于富氧狀態(tài),燃燒室氣化產(chǎn)生的合成氣中含有大量氯離子,隨著氣體流動(dòng),氯離子擴(kuò)散至激冷室內(nèi)壁,使材料具備了應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的外部環(huán)境條件[6-7]。

吳義黨等[8]提出,當(dāng)氯離子濃度大于50 mg/L時(shí),材料在溫度為270 ℃溶液中會(huì)發(fā)生較深的點(diǎn)腐蝕,且點(diǎn)腐蝕周圍伴有裂紋,原因是堆焊層焊接存在殘余應(yīng)力。氣化爐堆焊層主要受到工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的作用。激冷室工作溫度約為250 ℃,氣化爐運(yùn)行時(shí),堆焊層內(nèi)壁同時(shí)承受工作應(yīng)力和熱應(yīng)力,并且處于高溫環(huán)境中,導(dǎo)致材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增強(qiáng)。堆焊層在與基體焊接后,堆焊層堆疊殘余應(yīng)力并未完全消除,其中焊接方向的應(yīng)力最大,軸向方向次之,壁厚方向最小。此外,燃燒室內(nèi)表面接管焊縫的修補(bǔ)方式多為手工焊,焊接質(zhì)量較差,焊接處拘束力大,焊接殘余應(yīng)力較高,而且接管表面堆焊層凹凸不平,液體流動(dòng)性差,氯離子易在此處聚集,因此在接管修補(bǔ)區(qū)附近、熔合線和熱影響區(qū)的裂紋較多。

堆焊層裂紋腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量較高,黑水溶液中的溶解氧會(huì)加速應(yīng)力腐蝕開裂[9]。鎳元素在奧氏體不銹鋼中的主要作用是強(qiáng)化并穩(wěn)定奧氏體,當(dāng)鎳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未達(dá)到8%～12%時(shí),奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性較高,該氣化爐內(nèi)壁堆焊層中的鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6.9%,說(shuō)明其腐蝕開裂敏感性較高。裂紋區(qū)未檢測(cè)到硫元素,因此可以排除連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的可能。綜上所述,激冷室內(nèi)部不銹鋼堆焊層及接管在拉應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、氧元素和氯離子濃度較高、溫度較高的環(huán)境下工作,最終導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

2.3 激冷水進(jìn)口接管裂紋

在氣化爐運(yùn)行時(shí),激冷水進(jìn)口非常容易堵塞,使激冷水流量減小,進(jìn)口接管壁溫逐漸高于氣化爐激冷室壁溫(253 ℃),兩者存在的溫度差會(huì)產(chǎn)生軸向熱應(yīng)力,使激冷水進(jìn)口接管焊接接頭發(fā)生環(huán)向開裂[10]。

3. 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1) 該氣化爐存在點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和熱應(yīng)力裂紋,激冷室內(nèi)壁不銹鋼堆焊層中Cr元素含量偏少、黑水介質(zhì)中存在氯離子,以及氣化爐長(zhǎng)期在酸性環(huán)境下服役,最終導(dǎo)致氣化爐發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

(2) 氣化爐激冷室不銹鋼堆焊層鎳元素含量較少,液相中含有較高濃度的溶解氧和氯離子,在高溫環(huán)境、應(yīng)力作用等多種因素的影響下,堆焊層發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3.2 建議

建議將材料中的鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至大于35%,增加硅元素的添加量,并添加少量合金元素,以提高內(nèi)壁的耐腐蝕性和抗破裂能力。利用超音速電弧在氣化爐激冷室內(nèi)表面噴涂防護(hù)涂層,以對(duì)未檢部位的微裂紋進(jìn)行有效封閉處理,且耐腐蝕性能優(yōu)良的噴涂涂層可以隔離激冷室內(nèi)介質(zhì)和堆焊層,以延長(zhǎng)氣化爐安全運(yùn)行的周期。在炭洗塔后增加對(duì)液相的洗滌凈化環(huán)節(jié),采用凈化后的水源作為激冷水,有效降低激冷水的腐蝕性,減少激冷水中雜質(zhì)含量,避免氣化爐激冷水進(jìn)口堵塞,避免氯離子對(duì)不銹鋼堆焊層造成應(yīng)力腐蝕損傷。

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