氣化爐燒嘴失效分析

P,理化檢驗=物理分冊2005年數合勢■氣化爐燒嘴失效分析陳斌,侯洪文鐘彥平,張玉福,郭志軍(中石油寧夏分公司.銀川750026)( 蘭州石油機械研究所，蘭州730050)摘要:隨著(zhù)能源結構的變化,大化肥裝置的氣化爐普遍進(jìn)行了油改氣,但隨著(zhù)氣化爐負荷的提高，爐膛溫度上升,燒嘴的失效問(wèn)題日益突出,主要表現有燒嘴的燒損和冷卻水夾套焊縫泄漏。從材料的選擇、制造、使用等方面著(zhù)重分析和討論了高溫、腐蝕、應力等因素對其失效行為的影響,并提出了解決措施。關(guān)鍵詞:氣化爐;燒嘴;高溫廣蝕;焊接缺陷;腐蝕疲勞;失效分析;中國分類(lèi)號: TG142. 33文獻標識碼: A文章編號: 1001- 4012(2005)增刊有明顯的降低,由原來(lái)的4~12個(gè)月降低到30天左1概述右或者更短的時(shí)間。如1號氣化爐一燒嘴頭于氣化爐是合成氨生產(chǎn)的龍頭設備,以前是將經(jīng)2004年11月投用,使用34天時(shí)、在水冷盤(pán)管與燒預熱的渣油和氧氣適當配比混合燃燒生成工藝氣嘴水冷套的焊接部位開(kāi)裂,產(chǎn)生泄漏致使爐內工藝體。為適應新的能源結構的變化,現在是將天然氣氣分改變,被迫停車(chē)檢修。為保證設備的正常運行和氧氣以適當配比混合,經(jīng)不完全燃燒生成所需工和連續生產(chǎn),解決燒嘴早期失效的問(wèn)題，們解剖失效藝氣。經(jīng)過(guò)預熱的高壓氧氣(80C、10.0MPa)和天燒嘴進(jìn)行全面分析。然氣(304C ,10. 0MPa)分別通過(guò)燒嘴的中心管和環(huán)隙噴入氣化爐燃燒室,混合燃燒,燃燒后爐內氣氛H2為61~62%、CO約32% .CO2為5. 8%~6%、水蒸氣<2%。目前我國進(jìn)口的多套520X10*t尿素裝置的合成氨生產(chǎn)的氣化爐是采用美國德士古公司的專(zhuān)利,饒嘴加裝在燃燒室頂部,燒嘴各部材料均采用鎳基變形超耐熱合金Inconel600 制造。該燒嘴由物料輸送部分、物料混合部分和冷卻部分水冷盤(pán)管和水夾套組成。冷卻水為去離子水,進(jìn)水溫度28圖1解剖分析的氣化爐燒嘴- 32C,出水溫度38~42C、壓力1.6MPa。由于原料含有一定量的雜質(zhì),同時(shí),有效氣即具有氧化性，又具有還原性,其腐蝕行為相當復雜。實(shí)際操作中爐膛溫度1400~ 1450C,盡管有循環(huán)水冷卻,正常工作時(shí)燒嘴表面溫度仍然到達900C左右。從歷次對氣化爐燒嘴檢驗的結果分析可知,其頭部的外表面呈現嚴重的疲勞腐蝕開(kāi)裂特征,同時(shí),伴有晶間、沿晶、穿晶特性,而且,裂紋主要集中在冷卻水夾套端面部位。它的運行狀況直接影響工藝氣中有效氣中國煤化工的含量和生產(chǎn)的連續性。燒嘴使用壽命通常是4~12個(gè)月,失效主要有YHCNMHG的裂紋特征兩類(lèi):高溫損傷壁厚減薄和水冷夾套泄漏。生產(chǎn)原2宏觀(guān)檢查.料油改氣后,提高了設備的負荷,燒嘴的使用壽命也，348●.P.理化檢驗=物理分冊陳斌等:氣化爐燒嘴失效分析2.1外觀(guān)檢查檢驗的1號氣化爐燒嘴帶有一段進(jìn)出口水管，冷卻水管和水夾套的外表面有金屬光澤和少量腐蝕產(chǎn)物;燒嘴頂部水夾套表面存在黑色腐蝕產(chǎn)物,外壁棱角處存在表面裂紋;在燒嘴頭部的斜面和距頂部100mm范圍內的表面上為龜裂裂紋和黑色腐蝕產(chǎn)物,頂部棱角部位多條平行裂紋;水冷管與燒嘴水夾套焊接接頭內彎和外彎部位都存在裂紋。PT檢測燒嘴表面裂紋見(jiàn)圖2。圖3水冷管與燒嘴水冷夾套焊接接頭中心縱2.2剖 面檢查分別沿燒嘴縱向和水冷管與燒嘴水冷夾套焊接接頭中心縱向剖開(kāi)做宏觀(guān)檢查,圖3和圖4.燒嘴各部位壁厚無(wú)明顯的減薄,內壁無(wú)腐蝕產(chǎn)物。燒嘴為焊接結構件,直管與變徑斜面焊縫連接;水冷夾套外側為堆焊層;冷卻水管與燒嘴水夾套為承插式焊接。燒嘴外表面氧化腐蝕裂紋,表面起裂、多條平行深度約2mm;燒嘴頂部棱角處氧化腐蝕疲勞裂紋,多條平行,深度不同;冷卻水管焊接接頭裂紋,內、外壁表面起裂,穿晶擴展。裂紋深度不同,部分已穿透圖4燒嘴縱向剖面壁厚;冷卻水管焊接接頭內部存在結構不連續和局部燒損缺陷;燒嘴水冷夾套外側堆焊層內壁疲勞裂3化學(xué)成分分析紋,裂紋起始于內部缺口應力集中處,燒嘴頂部和水分析燒嘴基體和頂部冷卻水夾套焊縫、冷卻水夾套外壁存在補焊特征。管以及焊接用的焊絲化學(xué)成分，分析結果(質(zhì)量分數)見(jiàn)表1.表1燒嘴化學(xué) 成分分析結果及相關(guān)數據%樣品化學(xué)成分分析結果標準成分編號燒嘴冷卻水管水夾套燁縫焊絲Inconel 600ENiCrFe-0ENiCrFe- 3C0. 030. 020.03≤0. 15≤0. 06≤0. 100. 0030.0030.005≤0.015≤0. 0150.0110.0130. 0180.019≤0.030≤0.030. 470.60. 270.37≤0. 50≤0.75≤1.0Mn0.610. 300.722.68≤1. 00≤6. 05.0~9. 515. 0015.2124.4119.5214. 0~17.015. 0~20.013. 0~17. 074. 7574.1223.9872. 40氽量(≥72)≥62.≥5F8.008. 4015. 700.94.6.0~10.0≤7.0≤10.0Mo0.040.140. 08-Cu0.440.170.150.07中國煤化工Ti0.280. 260.160. 36≤1.0 {Nb0.080. 070.132. 79MYHCNMHGG)1.5~2.5(Nb+Ta)Co氽量0.44.0. 340.25.≤0.15≤0.5●349●e理化檢驗=物理分冊陳斌等:氣化爐燒嘴失效分析燒嘴基體和冷卻水管材料中各化學(xué)元素含量符合Inconel 600材料標準。焊絲的分析結果與標準成分有一-定的出人， 根據主要合金元素鉻、鎳和銀的含量焊絲應當屬于ENiCrFe-0,但焊絲中的錳和鐵元素的含量較低。根據水夾套焊縫成分分析結果,焊縫應當屬于Ni-CrFeCo合金,未查到相應的牌號。水夾套焊縫X-ray 成分分析發(fā)現,水夾套壁厚方向上成分有明顯的差異,外層Ni29. 58%、Cr24. 79%、Fel4. 95%、Co30.68%與化學(xué)成分分析結果接近或相同;內層圖5水冷管內壁焊縫熱影響區裂紋Ni50. 30%、Cr21.12%、Fel1. 40% .Col7.19%，其中鈷、鉻和鐵元素的含量低于外層。4金相分析根據宏觀(guān)檢查的結果,金相分析在燒嘴基體及其焊縫、水冷管母材及其焊接接頭角焊縫、燒嘴水冷.夾套外側的幾個(gè)部位取樣，進(jìn)行了燒嘴和水冷管金圖6水夾套堆焊層焊接結 晶裂紋相組織觀(guān)察,以及不同部位裂紋形貌特征分析。4.1金相組織5.1燒嘴表面 氧化裂紋斷口各部位金相組織檢查說(shuō)明,高溫條件下燒嘴和斷口宏觀(guān)特征為裂紋探度約3mm,斷面粗糙，水冷管組織已發(fā)生改變,晶內和晶界上有點(diǎn)狀析出無(wú)塑性變形和金屬光澤,有黑色腐蝕產(chǎn)物。表面多物冷卻水管夾雜物較多表面存在氧化物層。組織晶源起裂,起裂部位有臺階。粒存在形變特征,這是水冷管加工成形時(shí)留下的,也斷口微觀(guān)形貌為裂紋起源存在腐蝕坑和裂紋，就是說(shuō)水冷管加工成形后未進(jìn)行固溶處理。水冷夾裂紋擴展區主要為氧化腐蝕產(chǎn)物，裂紋擴展的尖端套外側和頂部進(jìn)行過(guò)補焊.呈沿晶+解理+腐蝕產(chǎn)物特征,見(jiàn)圖7.4.2 裂紋及其擴展特征5.2水冷管焊繾裂紋斷口燒嘴、水冷夾套堆焊層和水冷管焊接接頭多處斷口宏觀(guān)特征為裂紋深度不同一般> 1.5mm,存在裂紋,其特征與宏觀(guān)檢查相符。微觀(guān)主要特點(diǎn)有的已經(jīng)穿透壁厚,內、外壁表面都有裂紋起源，源是，燒嘴外壁表面氧化腐蝕裂紋，表面起裂,擴展呈區有臺階,斷面粗糙,無(wú)塑性變形,無(wú)金屬光澤,有黑沿晶和穿晶混合特征、多條同時(shí)擴展,裂紋內有氧化色腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物,尖端鈍粗;水冷管外壁表面裂紋,表面起斷口微觀(guān)形貌為裂紋起源存在裂紋和臺階,斷裂多條平行,穿晶擴展,裂紋內有氧化腐蝕產(chǎn)物,尖裂面腐蝕產(chǎn)物較少,裂紋擴展的前沿存在弧線(xiàn)帶,裂端尖細;燒嘴水冷夾套外側堆焊層內存在焊接結晶紋擴展區形貌特征為解理和疲勞條紋,見(jiàn)圖8。裂紋,具有沿晶特征;水冷管與水冷夾套焊接接頭裂紋,內外壁表面都有發(fā)生,外壁裂紋穿晶擴展,尖端較鈍裂紋內有氧化腐蝕產(chǎn)物，呈疲勞裂紋的特點(diǎn):內壁裂紋都發(fā)生在棱角和結構不連續處，同時(shí)這也是焊縫熔合區和熱影響區,裂紋尖端尖細,有分叉特征。裂紋形貌特征見(jiàn)圖5和圖6。中國煤化工5斷口分析MHCNMHG打開(kāi)水冷管焊縫裂紋和燒嘴表面氧化裂紋進(jìn)行.斷口分析.圖7沿晶+解理+腐蝕產(chǎn)物方月數據e,.理化檢驗=物理分冊.陳斌等:氣化爐燒嘴失敗分析焊接殘余應力和材料成分、組織的不均勻性,在管內外溫差熱應力、循環(huán)水的進(jìn)出口產(chǎn)生喘流沖擊、壓力以及水管的振動(dòng)等應力的作用下,所以首先在水冷管部位開(kāi)裂。(4)該燒嘴及其水冷管金相組織有些改變,即晶界和晶內存在少量析出,由于燒嘴使用時(shí)間短,組織劣化和表面高溫損傷(氧化腐蝕)的程度都比較低。高溫氧化腐蝕是燒嘴的主要破壞形式之一。溫圖8解理+疲勞條紋度是燒嘴使用壽命的關(guān)鍵。高溫氧化直接和溫度、介質(zhì)有關(guān)。如果解決了燒嘴制造的質(zhì)量問(wèn)題，高溫6結果分析失效就顯得很突出。高溫會(huì )帶來(lái)許多問(wèn)題,材質(zhì)的(1)燒嘴和冷卻水管材料符合Inconel 600標劣化,特別是在應力的作用下會(huì )加速這- -進(jìn)程;在高準;焊絲為ENiCrFe-0;水夾套焊縫焊縫屬于Ni-溫下材料沒(méi)有疲勞極限,疲勞強度隨循環(huán)次數的增.Cr-Fe-Co合金。加不斷降低,壽命隨著(zhù)溫度的提高而減少,溫度上升Inconel 600是鎳基高溫合金,鎳含量在72%以還會(huì )使燒嘴的熱應力大大升高,應力的升高又同時(shí)上,使得材料具有穩定的奧氏體組織，鉻含量在14導致材料疲勞壽命的縮短。~17%之間,使其具有優(yōu)良的高溫強度和抗氧化能高溫環(huán)境中金屬材料組織會(huì )發(fā)生轉變,影響構力。燒嘴位于氣化爐燃燒室內，長(cháng)期在900C以上件的抗氧化性能,特別是介質(zhì)中含S、Cl、V2O3、的環(huán)境中工作,要求材料組織穩定并具有足夠的熱NaSO,等有害組份時(shí)在800個(gè)以上就會(huì )發(fā)生一系列強度、抗氧化性能和耐熱腐蝕和抗疲勞性能等,是目高溫腐蝕,氣化爐燒嘴頭頂部和外壁受到高溫輻射前與氣化爐工作條件相適應首選材料。和燃氣沖刷,在溫度和介質(zhì)的作用下,這就是高溫過(guò)(2)燒嘴及其水冷管存在多種類(lèi)型的裂紋,燒熱造成的表面損傷和破壞。如果燃氣介質(zhì)中含有在嘴表面氧化腐蝕裂紋、燒嘴水冷夾套外側堆焊層結硫酸鹽和氯化物等,破壞氧化皮的致密性,可以有選晶裂紋、燒嘴頂部棱角處腐蝕疲勞裂紋、水冷管焊接擇的生成低熔點(diǎn)的腐蝕產(chǎn)物。硫化物膜缺陷濃度.接頭外表面和內壁腐蝕疲勞裂紋,其中水冷管焊接大,容易開(kāi)裂和剝落,鎳的硫化物熔點(diǎn)比較低.接頭內壁起裂的腐蝕疲勞裂紋,在裂紋擴展的初期(645C),Ni+NiS的共晶點(diǎn)溫度也低。促進(jìn)了晶界具有應力腐蝕開(kāi)裂的特征;反映了燒嘴及水冷夾套腐蝕的進(jìn)程,對于鎳及其合金硫化是一種比氧化更和水冷管高溫服役條件下應力狀態(tài)復雜。燒嘴水冷嚴重的高溫破壞形式?；w金屬和氧化皮熱膨脹系夾套外側堆焊層結晶裂紋是焊接工藝不當產(chǎn)生的裂數的差別、氧化皮生長(cháng)速度的差別將導致氧化皮剝紋。從這一次解剖分析的燒嘴看,除了不可避免的落,促進(jìn)裂紋擴展。檢驗中我們看到燒嘴外表面在高溫介質(zhì)、壓力等條件外,燒嘴本身的質(zhì)量是該燒嘴短時(shí)間內就已形成深度為2mm的網(wǎng)狀裂紋。產(chǎn)生早期失效的重要原因。(5)根據對汽化爐燒嘴作的有限元應力分析，(3)解剖分析燒嘴及其水冷管焊接接頭,發(fā)現從計算結過(guò)看,當燒嘴只承受工作壓力不考慮溫度該燒嘴存在直接影響壽命的缺陷,如燒嘴水冷夾套時(shí)，燒嘴各部位應力水平都比較低,最高值為堆焊層結晶裂紋和水冷管焊接接頭內壁結構不連續171MPa;當燒嘴外表面900C ,冷卻水32C和工作處。燒嘴水冷夾套堆焊層焊接材料與燒嘴和水冷管壓力共同作用下,饒嘴的應力水平急劇升高,按線(xiàn)彈的化學(xué)成分有很大的差別,高合金異種材料焊從工性計算最高達2713MPa。高應力水平在水冷套內藝和該結構特點(diǎn)上都有較大的難度,單面堆焊重復壁的損角上和外壁的樁角部位上.;檢驗發(fā)現高應力加熱容易產(chǎn)生結晶裂紋,焊根與水接觸的內表面凹水平中國煤化工生在應力水平為凸不平和棱角又是應力提升點(diǎn)。此外水冷管焊接又1515NYHCNMHG存在未焊透的缺在這個(gè)缺陷集中的處,焊后不進(jìn)行熱處理,在水冷管陷,說(shuō)明缺口效應對疲勞破壞的影響重大。焊接接頭部位增加了內部結構的不連續性,增加了351●P,理化檢驗=物理分冊2005年短奇礙■烘筒爆炸原因分析廖景娛,洪錫鋼,梁思祖,劉正義(華南理工大學(xué),廣州510640)摘要:不銹鋼烘筒運轉4~5 個(gè)月后爆炸。爆炸原因是因焊接質(zhì)量不合格,主要是虛焊,虛焊處的強度不夠,在熱循環(huán)應力作用下,產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展,導致蒸汽泄漏;同時(shí),烘筒內有水,當蒸汽泄漏的瞬間,過(guò).飽和的水急劇汽化,即引起蒸汽爆沸(或叫蒸汽爆炸),致使烘筒爆裂。關(guān)鍵詞:烘筒;泄漏;爆裂中圖分類(lèi)號: TG142. 71文獻標識碼: A文章編號: 1001- -4012(2005)增 刊1情況簡(jiǎn)介烘筒的簡(jiǎn)體,用2. 5mm厚的不銹鋼板焊接而簡(jiǎn)休成(見(jiàn)圖1),內徑794mm,長(cháng)度2440mm;兩封頭的材料是Q235-A碳鋼,烘簡(jiǎn)用作烘干布制品和皮革制品的拉鏈,在正常運轉時(shí)，筒內的蒸汽壓力6kg/cm2 ,溫度170C。制造編號FC2002-363烘筒自投入生產(chǎn)到爆炸共運轉4.5個(gè)月,每天運轉2個(gè)工作班(約15h)。圖1烘簡(jiǎn)外貌0.05X力集中著(zhù)手,規范制造工藝,結構上避免應力集中;7結論規范焊接工藝,避免焊接缺陷,同時(shí)考慮在可能的情(1)燒嘴和水冷管材料為Inconel600;焊絲牌況下進(jìn)行焊后去應力熱處理。號ENiCrFe0;水夾套焊縫屬于Ni-CrFe-Co合金。(2)水冷管成形后進(jìn)行固溶處理,消除應力,穩(2)燒嘴水冷夾套外側為堆焊層,堆焊層存在定組織。結晶裂紋、凹凸不平和棱角等焊接缺陷。(3)在滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的情況下,降低爐膛操作(3)燒嘴表面裂紋為高溫氧化腐蝕裂紋。溫度。(4)燒嘴頂部水冷管焊接接頭裂紋和水冷夾套(4)改進(jìn)水冷夾套的設計,外壁棱角圓滑過(guò)渡內壁焊縫根部裂紋是焊接缺陷造成局部應力集中引以及避免水冷管單面焊產(chǎn)生的缺陷。起的疲勞開(kāi)裂,這是該燒嘴失效的主要原因。參考文獻:8建議[1] 中國機械工程學(xué)會(huì )焊接學(xué)會(huì )編焊接手冊第2版第2燒嘴失效主要有兩大類(lèi),一-類(lèi)是高溫失效,包括卷材料的焊接[M].北京:機械工業(yè)出版社.2001.了表面氧化腐蝕,材質(zhì)劣化,壁厚減薄;另一類(lèi)是水[2]美國金屬學(xué)會(huì )主編. 金屬手冊，第九版第三卷性能冷夾套開(kāi)裂泄漏,焊接質(zhì)量、結構缺陷和疲勞應力是與選擇;不銹鋼、工具材料及特殊用途金屬材料[M]. .北京:機械工業(yè)出版,1991.造成開(kāi)裂的主要原因。國產(chǎn)燒嘴材料和結構與國外中國煤化工革,簡(jiǎn)光沂校.不銹鋼的損基本相同,材料為Inconel 600,使用壽命一般在4二械工業(yè)出版社.1981. .個(gè)月到1年,早期失效往往是和制造質(zhì)量有關(guān),因此THCNMH(溜蝕[M].北京:冶金工業(yè).建議:出版社.2001.(1)防止早期失效從焊接接頭部位降低局部應352●