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(cè)方法研究了高溫余熱鍋爐管束入口耐磨套管損壞的性質(zhì)及原因，結(jié)果表明耐磨套管失效性質(zhì)主要為鑄造缺陷，針對(duì)該問題提出了改進(jìn)建議。

關(guān)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(shù)，使用兩段式水煤漿加壓工藝生產(chǎn)合成氣，同時(shí)副產(chǎn)超高壓蒸汽。E-Gas氣化爐產(chǎn)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(jìn)入下游設(shè)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(shè)置了一根耐磨套管，耐磨套管失效后容易導(dǎo)致?lián)Q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(shí)發(fā)現(xiàn)有少量入口耐磨套管出現(xiàn)斷裂。耐磨套管材質(zhì)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(nèi)100mm左右，合成氣介質(zhì)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(zhì)長(zhǎng)期高溫、固體沖刷、腐蝕及交變熱應(yīng)力作用，為了便于故障分析，將斷裂的套管取樣進(jìn)行全面分析。

3 檢驗(yàn)分析

3.1 耐磨襯套管的宏觀、低倍分析的宏觀、低倍分析

對(duì)送檢樣品觀察發(fā)現(xiàn)，襯套一端發(fā)生嚴(yán)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(nèi)表面有凹凸感，并覆蓋一層黑色產(chǎn)物，去除浮灰后發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)物與襯套基體結(jié)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(shí)間未能及時(shí)取下，陳舊斷口大部分已發(fā)生磨損和腐蝕，斷口表面覆蓋一層黑褐色產(chǎn)物。

3.2 組織形貌分析

取襯套管截面試樣，經(jīng)封裝、研磨、拋光后，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織形貌?？梢钥闯?，襯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(cuò)排列形成編織狀結(jié)構(gòu)，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(nèi)表面發(fā)展并最后斷裂的，斷口比較平整，呈現(xiàn)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(jīng)能譜分析，襯套管斷口上及內(nèi)壁覆蓋的黑褐色產(chǎn)物為金屬氧化物，如圖5所示。該金屬氧化產(chǎn)物是在襯套管服役過程產(chǎn)生的，對(duì)襯套管的服役性能不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3.4 分析與討論

耐磨套管為Stellite6 合金材質(zhì)。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(zhì)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(dāng)數(shù)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(zhì)，在赤熱狀態(tài)下能保持很高的硬度（冷卻后可以恢復(fù)原來的硬度），在既有磨損又有腐蝕的環(huán)境中非常實(shí)用。

耐磨套管是鑄造生產(chǎn)的，而鑄件在生產(chǎn)加工過程中由于澆鑄溫度、冷速控制、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種因素的作用很容易產(chǎn)生各種缺陷，如疏松、縮孔等，各種鑄造缺陷的存在會(huì)不同程度的降低材料的性能，對(duì)材料的服役均會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

合金在凝固過程中，由于液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮，往往在鑄件最后凝固部位出現(xiàn)大量彌散的、形狀不規(guī)則的微小孔洞即為疏松。在鑄造生產(chǎn)中，當(dāng)合金澆注鑄型、冷卻至常溫直至形成鑄件，整個(gè)過程通常會(huì)發(fā)生三種收縮，一種是液態(tài)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(fā)生的體積縮減;第二種是凝固時(shí)的體積收縮，即金屬液由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)、液態(tài)并存時(shí)的體積縮減;第三種是固態(tài)收縮，即從線收縮開始溫度降至常溫所發(fā)生的體積縮減。這三種收縮的結(jié)果使鑄件產(chǎn)生體積虧損，如果鑄件產(chǎn)生的體積虧損不能及時(shí)通過合金液來補(bǔ)償，就會(huì)形成疏松。因此疏松的產(chǎn)生主要是合金液補(bǔ)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(xiàn)在鑄件的厚大部位、最后凝固部位或補(bǔ)縮不到的部位，與鑄件的工藝方案設(shè)計(jì)、順序凝固條件、澆注溫度等都有一定關(guān)系。疏松缺陷不僅破壞鑄件質(zhì)量，使產(chǎn)品合格率降低，而且會(huì)減小鑄件有效承載面積，特別是對(duì)于承載零件會(huì)在缺陷處造成應(yīng)力集中，極易使零件在服役時(shí)斷裂失效，成為危險(xiǎn)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(yán)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(qiáng)度，在后續(xù)服役時(shí)，在受到熱交變應(yīng)力、介質(zhì)沖擊等作用下，襯套管容易在疏松缺陷處發(fā)生開裂而導(dǎo)致失效。

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

襯套管發(fā)生斷裂的原因是，襯套管在鑄造生產(chǎn)時(shí)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(qiáng)度，由此導(dǎo)致發(fā)生脆性斷裂失效。根據(jù)目前使用情況擬采取以下改進(jìn)措施：①改進(jìn)Stelli6合金耐磨套管的鑄造工藝，提高套管的鑄造質(zhì)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。

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