氣化爐煤粉燒嘴Inconel 600開裂原因

田 曉，秦承鵬，徐 慧，曹劍峰

（西安熱工研究院有限公司，西安710032）

煤氣化作為一種潔凈煤技術(shù)在我國備受關(guān)注，同時(shí)該技術(shù)因?qū)γ悍N適應(yīng)性廣、氣化溫度高、耗氧量少、單臺(tái)設(shè)備能力大、有效氣產(chǎn)量高、環(huán)保效果好等特點(diǎn)具備了最廣闊的發(fā)展前景[1]。但是，煤粉氣化爐燒嘴的使用壽命短，正常周期為90d左右。燒嘴在服役過程中常出現(xiàn)冷去水盤管損壞，中噴頭物理磨蝕，熱、化學(xué)、應(yīng)力使外噴頭受損等失效方式，制約氣化爐長周期運(yùn)行，并直接影響經(jīng)濟(jì)效益。為此國內(nèi)科研院所對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、形式、材質(zhì)等多方面進(jìn)行研究，期望提高其使用壽命。

某電站氣化爐自2012年4月17日首次點(diǎn)火后，至今已累計(jì)運(yùn)行2 459h。2013年8月30日停車開爐檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)燒嘴頭部裂紋變深，該燒嘴于2013年3月14日投入使用，累積運(yùn)行1 013h，服役期間氣化爐啟停6次。在運(yùn)行過程中，燒嘴經(jīng)常出現(xiàn)頭部中心孔處嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。為查明燒嘴頭部開裂原因，對(duì)3號(hào)燒嘴進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 宏觀檢查

3號(hào)燒嘴宏觀照片見圖1。燒嘴頭部表面存在大量黃褐色或黑色腐蝕產(chǎn)物，中心孔周圍有徑向擴(kuò)展的放射性裂紋，裂紋長度在3～8mm左右。

圖1 氣化爐3號(hào)燒嘴宏觀形貌照片F(xiàn)ig.1 Macroscopic appearance of the burner

2 維氏硬度測(cè)試

對(duì)燒嘴端面試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見表1。由試驗(yàn)結(jié)果知，燒嘴頭部中心孔處的裂紋試樣硬度低于燒嘴中間部位試樣的硬度。

表1 維氏硬度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Vickers hardness test results

3 低倍形貌及金相組織分析

對(duì)燒嘴頭部中心孔處和燒嘴頭部中間位置進(jìn)行低倍形貌觀察，結(jié)果見圖2～圖4。由圖1可見，燒嘴頭部的裂紋起源于中心孔，沿中心孔的徑向向外擴(kuò)展；由燒嘴外壁向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋內(nèi)嵌有較多腐蝕產(chǎn)物，而在燒嘴中間部位試樣未觀察到裂紋。

圖2 燒嘴中心孔處試樣外表面的低倍形貌（50×，未侵蝕）Fig.2 Low－magnification appearance of the surface of the burner center（50×，not etched）

圖3 燒嘴中心孔處試樣橫截面的低倍形貌（50×，未侵蝕）Fig.3 Low－magnification appearance of the cross section of the burner center（50×，not etched）

所制的金相試樣結(jié)果見圖5～圖8，金相組織為γ相，未見異常。中心孔處試樣晶粒度為2～4級(jí)，且個(gè)別晶粒尺寸較大；中部位置試樣晶粒度為6級(jí)，晶粒非常細(xì)小均勻。中心孔處試樣裂紋尖端較為尖銳，裂紋內(nèi)存在較厚的腐蝕產(chǎn)物，裂紋主要以沿晶方式擴(kuò)展。

圖4 燒嘴中間部位試樣的低倍形貌（100×，未侵蝕）Fig.4 Low－magnification appearance of the sample in the middle part of the burner（100×，not etched）

圖5 燒嘴中心孔處試樣金相照片（100×）Fig.5 Microstructure of the sample at the burnercenter（100×）

圖6 燒嘴中間部位試樣金相照片（100×）Fig.6 Microstructure of the sample in the middle part of the burner（100×）

圖7 燒嘴中心孔處試樣外表面裂紋尖端形貌（100×）Fig.7 Microstructure of the crack tip at the surface of the burner center（100×）

圖8 燒嘴中心孔處試樣橫截面裂紋尖端形貌（100×）Fig.8 Microstructure of the crack tip at the cross section of the burner center（100×）

4 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)燒嘴頭部中心孔處裂紋進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)果見圖9及表2～表3。中心孔處裂紋沿晶擴(kuò)展，裂紋內(nèi)部存在腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)能譜分析知該腐蝕產(chǎn)物中碳、硫、氧元素含量較高，可見腐蝕產(chǎn)物主要為鎳的硫化物和氧化物。

圖9 燒嘴頭部中心孔處試樣裂紋SEM形貌Fig.9 SEM photographs of the sample around the burner center

表2 裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果（未侵蝕）Tab.2 EDS testing results of the corrosion products in cracks（not etched）

表3 裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果（王水侵蝕）Tab.3 EDS testing results of the corrosion products in cracks（aqua regia etxhed）

燒嘴中心孔內(nèi)煤粉、水蒸汽和氧氣三者混合物在高溫下發(fā)生氣化反應(yīng)，煤粉中的硫等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧锎嬖谟跉饣癄t高溫氣氛中。因此，硫在高溫條件下與燒嘴頭部的鎳基合金發(fā)生反應(yīng)，硫原子優(yōu)先沿鎳基合金的晶界擴(kuò)散形成硫化物[2]，形成沿晶擴(kuò)展裂紋[3]；晶界上的硫化物隨后發(fā)生氧化形成氧化物，所釋放出來的游離態(tài)硫在鎳基合金未腐蝕的晶界繼續(xù)擴(kuò)散形成新的硫化物，使硫化區(qū)域不斷向縱深方向發(fā)展[4]，同時(shí)裂紋不斷沿晶界向內(nèi)擴(kuò)展并在裂紋內(nèi)部形成硫化物和氧化物。

5 燒嘴開裂原因分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果知，燒嘴頭部的裂紋主要集中在中心孔周圍，裂紋起源于中心孔處，沿徑向呈放射狀，由外壁向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋長度在3～8mm之間。燒嘴頭部（Inconel 600）的化學(xué)成分符合 ASTM B564的相關(guān)要求。燒嘴頭部中心孔處的硬度較中部無裂紋處的硬度低，中心孔處的晶粒度為2～4級(jí)、個(gè)別晶粒尺寸較大，而中部無裂紋部位的晶粒度為6級(jí)、晶粒非常細(xì)小均勻。通過掃描電鏡及能譜分析發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物主要為硫化物和氧化物。

根據(jù)以上分析認(rèn)為，燒嘴中心孔處溫度較高，在氣化爐啟停時(shí)因燒嘴頭部冷卻水不足，出現(xiàn)超溫導(dǎo)致中心孔處的鎳基合金局部晶粒長大，過大晶粒引起硬度下降。在高溫條件下，煤粉中的硫氣化后形成硫化物而存在于氣化爐的氣氛中，燒嘴頭部中心孔處的溫度較高、環(huán)境最為惡劣，該部位的鎳基合金優(yōu)先在硫的作用下發(fā)生高溫硫腐蝕，形成中心孔向外放射發(fā)展的裂紋，且裂紋內(nèi)部充滿了硫化物和氧化物。在反復(fù)啟停過程中，燒嘴中心孔處的熱應(yīng)力進(jìn)一步加劇沿晶裂紋的擴(kuò)展，使得燒嘴中心孔周圍的裂紋不斷加深。

6 結(jié)論

該電站氣化爐燒嘴裂紋為在高溫條件下氣化爐中的硫優(yōu)先與鎳基合金發(fā)生高溫硫腐蝕造成的。氣化爐反復(fù)啟停過程中，中心孔處超溫晶粒過大引起硬度下降，中心孔處的熱應(yīng)力進(jìn)一步加劇裂紋的擴(kuò)展，最終使得燒嘴頭部中心孔處宏觀開裂。Inconel 600在有硫環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，建議選用耐硫腐蝕性能較好的高溫合金，如Inconel 740等。

[1]郭文元.大型干煤粉氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2005，26（5）：10－22.

[2]陳斌，侯洪文，鐘彥平，等.氣化爐燒嘴失效分析[J].理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2005（增刊）：348－352.

[3]朱日彰，齊慧濱，黃震中，等.金屬材料的高溫硫腐蝕中的若干問題（2）[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，1995（4）：55－57.

[4]莊東漢.材料失效分析[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2012：330.