于 謙

(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

碎煤加壓氣化爐是一種固定床氣化爐型，廣泛應(yīng)用于煤制合成氨、甲醇、二甲醚、合成油以及煤制天然氣領(lǐng)域，自1939年首臺碎煤加壓氣化爐商業(yè)運行至今，世界范圍內(nèi)有近300套碎煤加壓氣化爐在運營生產(chǎn)。

2012年起，國內(nèi)三家以褐煤為原料進(jìn)行生產(chǎn)的企業(yè)，在試生產(chǎn)期間，其氣化爐先后出現(xiàn)內(nèi)夾套腐蝕的情況，涉及設(shè)備總數(shù)50余臺，而早期國內(nèi)相同爐型氣化爐運行多年，從未出現(xiàn)如此腐蝕現(xiàn)象。為應(yīng)對該爐型出現(xiàn)的腐蝕癥狀，早期氣化爐腐蝕企業(yè)經(jīng)反復(fù)試驗，最終使用內(nèi)夾套表面手工鎳基堆焊(堆焊Inconel 625)的方法，實現(xiàn)了前期的正常生產(chǎn)。后出現(xiàn)內(nèi)夾套腐蝕的兩家企業(yè)借鑒前者經(jīng)驗，在氣化爐內(nèi)夾套出現(xiàn)腐蝕后，采用局部更換帶極堆焊Inconel 625板與自動 GMAW 堆焊相結(jié)合的方式進(jìn)行內(nèi)夾套防腐蝕處理，實現(xiàn)了一定時期內(nèi)的正常生產(chǎn)，但在生產(chǎn)中Inconel 625堆焊層腐蝕依然存在，只是腐蝕速率減緩。因此，以褐煤為原料的碎煤加壓氣化企業(yè)一直把氣化內(nèi)夾套腐蝕問題作為一個重點課題研究。

1 克旗項目碎煤加壓氣化爐結(jié)構(gòu)及內(nèi)夾套腐蝕過程

碎煤加壓氣化爐本體是一個雙層夾套式的結(jié)構(gòu)，高13 000 mm，直徑4 000 mm，內(nèi)、外筒體的間距48 mm，夾套內(nèi)充滿鍋爐給水，以吸收氣化反應(yīng)傳給內(nèi)筒的熱量，使內(nèi)筒體不會因過熱而損壞，起到保護(hù)內(nèi)筒體的作用，同時產(chǎn)生蒸汽，外殼主體材質(zhì)為13MnNiMoNbR，夾套底部圈板材質(zhì)15CrMoR，其他圈板材質(zhì)均為20R。氣化爐結(jié)構(gòu)見圖1，氣化爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

以克旗項目碎煤加壓氣化爐腐蝕過程為例，2014年1月，克旗公司裝置試車約50 d，出現(xiàn)大面積氣化爐內(nèi)夾套腐蝕，部分氣化爐32 mm厚夾套板腐蝕穿透，腐蝕速率約0.5 mm/d，隨后借鑒2012年新疆某化工項目氣化爐腐蝕處理方法，采用局部更換帶極堆焊Inconel 625板材與自動 GMAW 堆焊相結(jié)合的方式進(jìn)行內(nèi)夾套防腐蝕處理。

圖1 克旗項目氣化爐工藝結(jié)構(gòu)示意

表1 克旗項目碎煤加壓氣化爐主要設(shè)計參數(shù)

2015年6月，氣化爐整體運行約8 000 h，氣化爐膨脹節(jié)及下灰室部分出現(xiàn)腐蝕減薄現(xiàn)象，腐蝕速率約1mm/1000h，受作業(yè)區(qū)域局限影響，采用手工電弧堆焊Inconel 625 進(jìn)行修復(fù)。

2016年7月，氣化爐整體運行約13 000 h，原腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的自動GMAW堆焊層焊接紋理基本消失，堆焊搭接處出現(xiàn)條狀和點狀腐蝕，腐蝕區(qū)域2～6 m2不等。

2 氣化爐內(nèi)夾套腐蝕機(jī)理分析

基于對原料褐煤、爐渣、腐蝕產(chǎn)物分析的數(shù)據(jù)，國內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)和專家認(rèn)為褐煤在碎煤加壓氣化過程中的腐蝕機(jī)理為：

(1)褐煤中Cl和F引起的高溫鹵化腐蝕，煤中Na2O、CaO、SO3含量偏高對腐蝕有一定的促進(jìn)作用；

(2)鹵化-氧化腐蝕加劇下的高溫磨蝕腐蝕；

(3)褐煤中的某些組分腐蝕，煤灰磨蝕加劇了夾套減薄進(jìn)程。

3 碎煤加壓氣化爐內(nèi)夾套Inconel 625堆焊層防腐研究

3.1 內(nèi)夾套防腐堆焊材料的對比與篩選

克旗氣化爐首次進(jìn)行防腐蝕處理后，在氣化爐內(nèi)放置了310S、321、Incoloy 825、Inconel 625四種掛片進(jìn)行試驗，一年后取出掛片進(jìn)行腐蝕分析，形成結(jié)論：

(1)含Cr合金的各種掛片材料發(fā)生了Cl、F、S等有害元素參與的高溫氧化腐蝕，形成了Cr、Ni、Fe元素的氧化物層Cr2O3/ Ni(Fe，Cr)2O4，能起到阻擋氣化爐內(nèi)夾套腐蝕的作用；

(2) Inconel 625 不但形成了Cr2O3/Ni(Fe，Cr)2O4氧化層，而且在腐蝕產(chǎn)物與基體界面富集了Nb、Mo等難熔合金元素，阻擋了非金屬元素向內(nèi)擴(kuò)散和金屬組元向外擴(kuò)散，降低了Inconel 625遭受 F、Cl、S、O腐蝕的速率；

(3)在四種掛片材料中，腐蝕速率由小到大的順序為：Inconel 625；Incoloy 825；310S；321；其年化腐蝕速率分別為：26.6 μm/a、29 μm/a、32 μm/a、51 μm/a(數(shù)據(jù)僅代表低負(fù)荷運行期間和特定位置的腐蝕速率)。

2016年7月氣化爐Inconel 625堆焊層出現(xiàn)腐蝕跡象，也直接證明氣化爐內(nèi)夾套進(jìn)行Inconel 625堆焊防腐蝕處理后，腐蝕依然存在，但堆焊層能有效降低其腐蝕速率。比對常用防腐蝕材料Incoloy 825、310S、321的腐蝕速率，進(jìn)行內(nèi)夾套Inconel 625堆焊是較為有效的防腐蝕處理方法。

3.2 堆焊方法對堆焊層稀釋率及Inconel 625防腐蝕效果的影響

異種材料焊接過程中，局部熔化的母材會混入焊縫，造成焊接金屬的稀釋，Inconel 625在內(nèi)夾套堆焊過程中，母材中的Fe元素混入堆焊層，降低了Ni、Cr、Mo等元素的含量，導(dǎo)致其耐蝕性下降。通過焊接參數(shù)優(yōu)化，可在一定范圍內(nèi)降低其稀釋率，而不同的焊接方法對堆焊金屬的稀釋率有較大的影響。

克旗公司在氣化爐內(nèi)夾套防腐蝕堆焊過程中，根據(jù)其腐蝕程度、作業(yè)空間、檢修成本，采用了手工電弧堆焊、自動GMAW堆接、局部更換埋弧帶極堆焊板材相結(jié)合的方式進(jìn)行防腐蝕處理。三種焊接方法在既定的焊接工藝參數(shù)下，對其表面金屬成分進(jìn)行光譜檢測，手工電弧堆焊含Ni 53.7%，含鐵15.07%，自動GMAW堆接(2層)含Ni 58.53%，含鐵7.23%，埋弧帶極堆焊含Ni 62.09%，含鐵5.05%，反映出的稀釋率由高到底依次為，手工電弧堆焊、自動GMAW堆焊(2層)、埋弧帶極堆焊。

2016年7月進(jìn)行氣化爐內(nèi)夾套檢查時，腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的手工電弧堆焊層表面紋理消失，堆焊表面存在鐵銹，自動GMAW堆焊層焊接紋理基本消失，堆焊搭接處出現(xiàn)條狀和點狀腐蝕，更換埋弧帶極堆焊板材的堆焊層表面基本無任何腐蝕跡象，充分證實堆焊層的稀釋率直接影響Inconel 625堆焊層的防腐蝕效果?？偨Y(jié)為，埋弧帶極堆焊表面耐腐蝕能力最強(qiáng)，自動GMAW堆焊(2層)次之、手工電弧堆焊最弱。

3.3 Inconel 625堆焊層的有效厚度是其防腐蝕的關(guān)鍵要素

通過掛片試驗知道，Inconel 625存在26.6 μm/a的腐蝕率，實際檢查中內(nèi)夾套嚴(yán)重腐蝕區(qū)域的腐蝕率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此數(shù)值。對三種堆焊方式的堆焊層逐層進(jìn)行光譜分析，測定其金屬成分，逐層對比，得出結(jié)論：埋弧帶極堆焊層表面稀釋率低、有效厚度高，自動GMAW堆焊(2層)表面稀釋率低、有效厚度低，手工電弧堆焊表面稀釋率高，有效厚度適中。有效厚度直接關(guān)系Inconel 625堆焊層耐腐蝕時間。由于有效厚度的差異，因此，在歷次內(nèi)夾套防腐蝕層檢查中發(fā)現(xiàn)，手工電弧堆焊防腐層防腐蝕能力不亞于自動GMAW堆焊(2層)。

三種堆焊方法逐層光譜金屬成分測定結(jié)果見表2。

表2 堆焊方法對掛片焊層表面金屬成分的影響

3.4 焊接缺陷影響Inconel 625堆焊層防腐蝕效果

夾渣、氣孔、未熔合、咬邊是堆焊過程中常見的缺陷，缺陷區(qū)域抗腐蝕能力弱，容易失去防腐蝕性能，腐蝕會很快滲入內(nèi)夾套本體母材，早期為點狀或條狀腐蝕，逐漸發(fā)展成為面狀腐蝕并形成腐蝕坑，直至造成內(nèi)夾套本體母材穿透泄漏。

4 氣化爐內(nèi)夾套Inconel 625堆焊層防腐蝕效果與修復(fù)

4.1 氣化爐內(nèi)夾套嚴(yán)重腐蝕區(qū)域

碎煤加壓氣化爐的重點腐蝕區(qū)域在氣化爐膨脹節(jié)以上0.3～1.6 m段，歷次檢查，該區(qū)域以外的其它部分，手工電弧、自動GMAW、埋弧帶極三種方法堆焊的原堆焊層表面均完好，并且焊接紋理清晰。而重點腐蝕區(qū)域在運行2年后，自動 GMAW堆焊的Inconel 625防腐層表面紋理基本消失，部分區(qū)域出現(xiàn)點狀或線狀腐蝕，甚至出現(xiàn)坑狀腐蝕。運行4年后，重點腐蝕區(qū)域埋弧帶極堆焊層表面出現(xiàn)少量的麻點，整體防腐蝕層完好。

4.2 氣化爐內(nèi)夾套Inconel 625堆焊層再次出現(xiàn)腐蝕的修復(fù)

氣化爐內(nèi)重點腐蝕區(qū)域的自動GMAW堆焊層運行2年后出現(xiàn)腐蝕，采用更換帶極堆焊板與手工電弧堆焊相結(jié)合的方式進(jìn)行修復(fù)，即原自動GMAW堆焊層腐蝕面積較小、腐蝕區(qū)域較小的內(nèi)夾套，采用手工電弧堆焊的方法進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)；對出現(xiàn)腐蝕面積較大，減薄嚴(yán)重的區(qū)域采用更換帶極堆焊板進(jìn)行修復(fù)。手工電弧堆焊后，耐腐蝕時間可以達(dá)到4年，更換帶極堆焊板的修復(fù)方式可以達(dá)到長久的防腐蝕效果。

4.3 手工補(bǔ)焊Inconel 625堆焊層的要求

氣化爐內(nèi)夾套Inconel 625堆焊層修復(fù)，更多是從經(jīng)濟(jì)性上考慮的修復(fù)方法，一般采用手工電弧補(bǔ)焊腐蝕嚴(yán)重區(qū)域。為達(dá)到修復(fù)質(zhì)量，必須嚴(yán)格按照堆焊要求執(zhí)行。

(1)焊前必須將內(nèi)夾套母材打磨至設(shè)備本體，用丙酮擦拭，去除表面氧化皮、油污和其他污染物，避免硫、磷等雜質(zhì)混入熔池，引起的焊接過程中結(jié)晶裂紋，以保障焊接質(zhì)量。

(2)堆焊時采用小的線能量、短電弧、不擺動或小擺動，以降低稀釋率，根據(jù)堆焊焊條使用說明，焊接工藝評定后進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，一般采用φ4.0焊條，堆焊電流130～160 A，電弧電壓25 V，焊接速度12～18 cm/min。

(3)焊接過程注意引弧和搭接處的缺陷，層間溫度控制在150 ℃以下。

4.4 帶極堆焊Inconel 625板材的更換

在氣化爐內(nèi)夾套出現(xiàn)腐蝕面積較大，減薄嚴(yán)重的情況下，采用更換帶極堆焊板進(jìn)行修復(fù)的方法更為經(jīng)濟(jì)可靠。帶極堆Inconel62板在制造廠卷板、堆焊、分割，一般定尺寸為1.5m×2.0m，現(xiàn)場進(jìn)行舊板割除、坡口打磨、焊接、熱處理、探傷、表面堆焊等工序。

5 結(jié)束語

針對碎煤加壓氣化爐以褐煤為原料進(jìn)行生產(chǎn)出現(xiàn)的內(nèi)夾套腐蝕，采用表面堆焊Inconel 625的方法，能有效延緩其內(nèi)夾套腐蝕速度，定期進(jìn)行修補(bǔ)，可滿足裝置生產(chǎn)需要。

不同堆焊方法的堆焊層稀釋率和有效厚度以及堆焊缺陷是影響其堆焊層抗腐蝕能力的根本，帶極堆焊稀釋率低、有效厚度厚，可完全滿足氣化爐全周期的抗腐蝕能力。

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，已出現(xiàn)腐蝕并修復(fù)完成的氣化爐，應(yīng)結(jié)合其腐蝕情況，逐步將氣化爐內(nèi)夾套腐蝕嚴(yán)重區(qū)域更換為帶極堆焊Inconel 625板材較為合理。

在新建項目上，如選用碎煤加壓氣化進(jìn)行褐煤氣化，建議在制造階段進(jìn)行內(nèi)夾套帶極堆焊Inconel 625的改進(jìn)，以應(yīng)對褐煤氣化時對內(nèi)夾套的腐蝕。