楊俊旭 李娟 劉衛(wèi)

摘要：煤化工企業(yè)主要會(huì)借助能譜實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡圖、化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、金相組織實(shí)驗(yàn)對(duì)甲醇聯(lián)合裝置系統(tǒng)中的蒸汽過(guò)熱器進(jìn)行分析，找尋具體的列管失效原因，使得煤氣化變換系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。本文將對(duì)煤氣化變換工藝流程進(jìn)行概述，分析列管失效原因，探究具體的防范措施。

關(guān)鍵詞：列管;蒸汽過(guò)熱器;煤氣化

引言：煤氣化生產(chǎn)裝置在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)蒸汽過(guò)熱器列管失效、泄漏問(wèn)題。煤化工企業(yè)需要認(rèn)真分析列管的質(zhì)量問(wèn)題，判定失效原因，制定針對(duì)性的防范措施?；诖?，對(duì)于煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過(guò)熱器列管失效分析及防范措施的探究有著重要意義。一、工藝流程

工藝流程為粗煤氣由氣化裝置產(chǎn)生經(jīng)過(guò)氣液分離器，將粗煤氣中的水分分離后，粗煤氣的一部分會(huì)進(jìn)入預(yù)熱器管程;在粗煤氣與變換器反應(yīng)升溫至305℃后，該部分粗煤氣進(jìn)入變換爐中;煤氣與水蒸汽氣在耐硫催化劑條件下進(jìn)行變換反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫氣體從變換爐進(jìn)入到預(yù)熱器中，與粗煤氣進(jìn)行換熱，換熱后的溫度可達(dá)到380℃;該部分氣體在換熱后經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器，將升溫?fù)Q熱至260℃的氣體送入蒸汽管道，降低溫度為240℃;該部分氣體會(huì)混合部分粗煤氣，方便后續(xù)的脫氨作業(yè)與熱量回收作業(yè)。簡(jiǎn)單而言，粗煤氣經(jīng)過(guò)氣液分離器，部分成為凝液，部分進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器、原料氣預(yù)熱器、變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。鍋爐水會(huì)經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生器、蒸汽過(guò)熱器后進(jìn)入相應(yīng)等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)。??? 設(shè)計(jì)人員在設(shè)置變換系統(tǒng)時(shí)，通常將u形管換熱器作為蒸汽過(guò)熱器，使用25mm×2mm規(guī)格的材質(zhì)制作換熱器，使用1mpa壓力的蒸汽為殼程介質(zhì)，使用5.8mpa壓力的蒸氣為管程介質(zhì)，變換器的溫度設(shè)置為384℃。蒸汽過(guò)熱器管城的具體換氣成分表為：一氧化碳占總成分的5.9955%，氫氣占總成分的52.7881%，二氧化碳占總成分的40.2723%，氮?dú)庹伎偝煞值?.28%，硫化氫占總成分的0.4623%，氨氣占總成分的0.03%。

二、煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過(guò)熱器列管失效分析

（一）金相組織

技術(shù)人員將列管從蒸汽過(guò)熱器中抽出，能夠發(fā)現(xiàn)列管表層出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象且伴隨著諸多腐蝕坑印。為詳細(xì)探究列管失效原因，需要使用能譜分析、化學(xué)分析、金相組織分析、掃描電鏡分析等技術(shù)手段分析列管。金相組織分析手段借助定量金相學(xué)原理，通過(guò)金相顯微組織對(duì)合金組織進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量，分析三維空間形貌（金相顯微組織主要為二項(xiàng)金相試樣的薄膜或膜面），進(jìn)而研究分析列管金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判定具體的內(nèi)部缺陷，分析失效原因。金相組織實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)列管存在未腐蝕的試樣橫裂紋、腐蝕的試樣橫裂紋、未腐蝕的試樣縱裂紋、腐蝕的試樣縱裂紋四種情況?；诖?，能夠發(fā)現(xiàn)列管出現(xiàn)了諸多垂直裂紋，由外壁擴(kuò)展至內(nèi)壁，裂紋的特點(diǎn)為能貫穿整個(gè)試管的內(nèi)壁、外壁且分支數(shù)量較少，容易造成泄漏問(wèn)題。通過(guò)細(xì)致的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，列管的裂紋多出現(xiàn)在被腐蝕的點(diǎn)蝕處以及外部缺陷處，少量的裂紋出現(xiàn)在列管內(nèi)部，主要的三維空間形貌為穿晶形貌，細(xì)致觀察各類(lèi)裂紋的走向、形態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)其開(kāi)裂特點(diǎn)為應(yīng)力腐蝕。

（二）化學(xué)分析

技術(shù)人員通常采用S32168型號(hào)的材料作為整體過(guò)熱系列管材質(zhì)，為進(jìn)一步對(duì)列管材質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，需要使用化學(xué)分析手段，借助直讀光譜儀分析列管試樣。具體的分析結(jié)果為：Ti元素的分析結(jié)果為0.035，Mn的分析結(jié)果為1.003，Si的分析結(jié)果為0.434，P的分析結(jié)果為0.043，S的分析結(jié)果為0.0016，Cr的分析結(jié)果為17.23，Ni的分析結(jié)果為9.012，Y的分析結(jié)果為0.274。

（三）能譜實(shí)驗(yàn)

為全面細(xì)致地觀察列管的裂紋走向、裂紋形態(tài)、腐蝕點(diǎn)坑，對(duì)腐蝕點(diǎn)坑、列管裂紋的成因進(jìn)行分析，需要借助能譜實(shí)驗(yàn)與掃描電鏡實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)列管試樣開(kāi)展能譜分析與掃描電鏡分析，可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)主要包含了點(diǎn)蝕坑低倍形貌、點(diǎn)蝕坑內(nèi)部形貌、管體外壁微裂紋貫穿點(diǎn)蝕坑、點(diǎn)蝕坑貫穿裂紋形貌四種類(lèi)型。大量點(diǎn)蝕坑附著在換熱管外壁，分布狀況為沿管體軸向分布，未能對(duì)管體管壁進(jìn)行貫穿的微裂紋分布在點(diǎn)蝕坑周?chē)?，并附著在管體外壁。該部分微裂紋貫穿管壁的點(diǎn)蝕坑，并沿管體軸向分布^[1]。通過(guò)對(duì)裂紋進(jìn)行觀察能夠發(fā)現(xiàn)，附著在管體外壁的大部分點(diǎn)蝕坑生成了部分裂紋，而這部分裂紋擴(kuò)展至管體內(nèi)壁，進(jìn)而導(dǎo)致列管出現(xiàn)泄漏失效問(wèn)題，而脆性斷裂為列管斷裂的主要形式。Ni、Cr、Ti、CL、S、Si、O是列管裂紋腐蝕產(chǎn)物的主要元素。通過(guò)大量分析實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，大量點(diǎn)蝕坑附著在換熱器列管表層，絕大多數(shù)的點(diǎn)蝕坑的源頭為腐蝕應(yīng)力裂紋。作為危險(xiǎn)性較大、隱蔽性較強(qiáng)的應(yīng)力局部腐蝕點(diǎn)蝕能夠?qū)е虏讳P鋼設(shè)備出現(xiàn)穿孔，而氯離子是引發(fā)不銹鋼設(shè)備失效的主要原因。能譜分析手段能夠有效發(fā)現(xiàn)換熱器列管的氯元素，與此同時(shí)，低壓蒸汽作為蒸汽過(guò)熱器的主要介質(zhì)，能夠幫助氯離子充分進(jìn)入換氣系統(tǒng)。??? 腐蝕與應(yīng)力共同作用在列管表層會(huì)導(dǎo)致列管出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致列管出現(xiàn)泄漏、失效問(wèn)題。在5.08mpa、384℃的條件下，使用蒸汽過(guò)熱器，很可能導(dǎo)致設(shè)備失效。將奧氏體不銹鋼作為列管的主要材料，也會(huì)使得氯離子引發(fā)點(diǎn)蝕坑，導(dǎo)致未貫穿列管管體管壁的微裂紋出現(xiàn)在點(diǎn)蝕坑周?chē)⒀刂泄芄荏w軸向分布。由于應(yīng)力集中效應(yīng)，微裂紋在環(huán)向應(yīng)力與高溫條件下，很可能導(dǎo)致列管出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽過(guò)熱器出現(xiàn)故障、換熱管失效^[2]。

三、煤氣化變換系統(tǒng)蒸汽過(guò)熱器列管失效防范措施

依照煤氣化變換系統(tǒng)的工藝條件、工藝流程，選取適合的設(shè)備類(lèi)型，科學(xué)合理地選用換熱器材質(zhì)。例如，在濃縮鍋爐、水、氯化物、水溶液、高溫堿液等介質(zhì)條件下，奧氏體不銹鋼容易出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題;因此，技術(shù)人員在選用材質(zhì)時(shí)，應(yīng)盡可能地避免在上述環(huán)境下條件下，選用奧氏體不銹鋼作為換熱器材質(zhì)。煤氣的水蒸氣在進(jìn)行變換反應(yīng)后，高溫氣體從變換爐進(jìn)入到預(yù)熱器中與粗煤氣進(jìn)行換熱;該部分氣體在換熱后經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器，送入蒸汽管道?；诖?，在加工設(shè)備時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)先使用退火手段對(duì)加工成型后的設(shè)備進(jìn)行處理，消除設(shè)備應(yīng)力。通常情況下，在1100℃條件下，技術(shù)人員需要對(duì)使用奧氏體不銹鋼作為換熱器材質(zhì)的設(shè)備進(jìn)行固溶處理或開(kāi)展噴丸處理作業(yè)，確保奧氏體不銹鋼的表層能夠出現(xiàn)壓應(yīng)力，進(jìn)而降低設(shè)備表層出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的概率。

技術(shù)人員在設(shè)置工藝設(shè)備時(shí)，通常將奧氏體不銹鋼作為換熱設(shè)備、蒸汽過(guò)熱器及變換系統(tǒng)、其他器材的主要原材料。技術(shù)人員需要嚴(yán)格控制換氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間的各項(xiàng)工藝指標(biāo)，尤其是要確認(rèn)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確保鍋爐水中的相關(guān)指標(biāo)小于30mg/l，避免氯離子濃度過(guò)大對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行腐蝕，導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題^[3]。技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)排除蒸汽發(fā)生器內(nèi)的污水，保障變換系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保系統(tǒng)各運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部的離子含量始終處于合理范圍，避免系統(tǒng)內(nèi)累積大量的氯離子，有效控制氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，保持離子含量穩(wěn)定。在變換系統(tǒng)停止運(yùn)行后，技術(shù)人員應(yīng)使用設(shè)備吹出換熱器內(nèi)的流體，使用氮?dú)鈱?duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，避免雜質(zhì)沉淀在列管表層。與此同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)備的試壓過(guò)程階段，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格控制試壓用水，避免氯離子大量進(jìn)入換氣設(shè)備、換熱系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。

結(jié)論：綜上所述，上文敘述煤氣化變換工藝的具體流程，通過(guò)金相組織實(shí)驗(yàn)、化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、能譜實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡圖能夠分析出蒸汽過(guò)熱器列管的失效原因。通過(guò)科學(xué)合理地選用設(shè)備類(lèi)型，換熱器材質(zhì)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行加工處理，嚴(yán)控氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，嚴(yán)格排污措施，嚴(yán)格控制試壓用水能夠有效防范列管失效。

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