造氣爐水夾套失效原因分析

徐廣平

（山東陽煤恒通化工股份有限公司，山東郯城 276100）

1 存在的問題

山東陽煤恒通化工股份有限公司化肥廠2009年有4臺φ2 800mm造氣爐水夾套上封頭在連續運行2年后發生開裂現象，使水夾套運行周期比正常情況大大縮短，而正常使用周期在5年左右。開裂位置在封頭向火側，自水側向爐膛沿縱向開裂，開裂部位形貌見圖1。

圖1 水夾套封頭開裂部位宏觀形貌

此水夾套上封頭材料是20g，水夾套制作按壓力容器標準設計制作，設計參數見表1。

表1 水夾套設計參數

在造氣爐實際操作運行中，測得蒸汽出口管下側附近的測溫點運行溫度在125～135℃，爐膛底部運行溫度在1 200～1 300℃，爐膛中上部溫度在1 000～1 200℃，封頭附近正常使用溫度在700～800℃，不正常時可達1 000℃。

2 原因分析

對圖1中的白色方框區域取樣分析化學成分，并通過分析水夾套封頭材料的化學成分，和20g標準進行對比，見表2。

從表2可以看出，封頭的化學成分符合20g標準的要求，水夾套上封頭不存在材料質量問題。

表2 化學成分分析與對比情況 %

對圖1中白色方框區域進行金相組織分析，照片結果如圖2所示。在光學顯微鏡和電子掃描鏡下，觀察裂紋前端形貌，裂紋沒有明顯的分叉現象，與應力腐蝕裂紋形貌不相符。應力腐蝕要在拉應力、敏感介質作用下一段時間才會發生，碳鋼發生應力腐蝕的敏感介質環境主要有NaOH溶液，含有、H2S水溶液，海水，濕的CO、CO2等。盡管工藝過程或尿素分解廢液中的尿素受熱時有可能帶入或生成少量的CO，使夾套封頭頂部氣相空間形成濕的CO、CO2環境，但是碳鋼在該環境下的應力腐蝕裂紋主要出現在煤氣儲存裝置或者煤氣管道中，單純的CO或CO2環境下碳鋼不發生應力腐蝕開裂，而且必須還得有液態水存在的情況下。混合氣中CO的分壓越高，產生裂紋的極限應力就越低，裂紋生長的速度也越快。碳鋼在該腐蝕環境下的應力腐蝕形貌與典型的應力腐蝕裂紋形貌相似，都是裂紋分叉。通過上述分析，可以排除夾套封頭發生應力腐蝕開裂的可能。

圖2 封頭縱向截面金相組織

封頭的金相組織中，珠光體已經完全球化，并且分散，球化程度達到最嚴重的5級，在晶界還發現少量的蠕變孔洞，可以初步斷定封頭在使用過程中存在超溫使用的情況。在掃描電鏡照片中，可以清晰地看到沿晶界呈顆粒狀分布的珠光體組織，珠光體組織已經完全球化。在電鏡照片中，可以看見許多沿晶界分布的蠕變孔洞和微裂紋。可以肯定夾套封頭長期處于超溫運行狀態。

圖3是水夾套蒸汽出氣管結構（按壓力容器標準設計），但水夾套制作時，要求制作廠家對此出口管短節不配置，而是到現場后，由本單位安裝施工隊根據管道布置情況進行配管。在水夾套上封頭連續出現開裂情況后，對在用的14臺造氣爐進行測量，測量出口管進氣端平面與封頭內頂端距離（即空程），尺寸為27～220mm，大部分尺寸遠遠超過設計尺寸，尤其是已經出現上封頭嚴重開裂的水夾套。

圖3 蒸汽出口管局部視圖

原設計空程尺寸是30mm，因空程尺寸加大，使在上封頭處聚集的蒸汽不能及時排出，而蒸汽的傳熱效果遠遠差于水，造成局部過熱。當蒸汽離去后，因溶液流入又會使該處溫度下降，蒸汽泡的急劇生成與破壞，又使上封頭表面溫度急劇交變，長期處于超溫運行狀態。夾套上封頭空程部分向火側蒸汽排出時與新產生的水蒸氣上升流入此處時金屬表面的溫差達10～15℃。由金相組織照片中珠光體組織球化程度如此嚴重，也可看出上封頭在使用過程中存在超溫使用的情況。

3 改進措施

通過對上封頭開裂的現象進行如上分析，2010年3～4月我們對空程尺寸不符合設計要求的蒸汽出口管進行更換，嚴格保證空程尺寸。改造后，未再出現上封頭開裂的現象，保證了夾套的使用周期。