淺談煤氣化裝置損傷機理

米瑪旺堆 旦增羅杰 扎西向秋

摘 ?要：現代煤化工是以煤氣化為龍頭，以一碳化工技術為基礎，合成、制取各種化工產品和燃料油的煤炭潔凈利用技術，在環保、煤種適應性和煤利用效率等方面更具優勢，其產品附加值高，市場潛力大，具有較強的成本優勢。本文就煤氣化裝置常見的損傷機理進行簡單的論述。

關鍵詞：開裂;容器;煤氣化

前言：煤炭氣化是在一定溫度、壓力條件下，用氣化劑將煤中的有機物轉化為煤氣的過程。典型的煤氣化技術有常壓固定床氣化技術、碎煤固定床加壓氣化技術、流化床氣化技術、氣流床煤氣化技術等。煤氣化裝置具有連續運轉周期短，設備磨損嚴重，維修頻繁，維修工作量大等特點，故檢驗人員在日常檢驗中需重點檢查具備腐蝕開裂機理的部位。以下就常見的開裂問題加以論述。

1.復合板或堆焊層開裂問題

復合板和堆焊層的作用：隔離介質與基材直接接觸，避免腐蝕，降低設備成本。通常情況，在制造碳鋼或低合金鋼厚壁容器過程中為消除的殘余應力，都會按相關標準要求進行焊后熱處理（壁厚一般大于38mm），但對于復合板材料尤其是奧氏體不銹鋼的堆焊層和襯里，在450～850℃的溫度范圍內進行熱處理將會導致材料發生敏化，降低材料抵抗腐蝕的性能。

1.2敏化

敏化是指奧氏體不銹鋼含碳量較高，屬于非穩定態（即不含鈦或鈮等穩定化元素），室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，遠低于不銹鋼的實際含碳量，故過飽和的碳被固溶在奧氏體中，當溫度超過425℃并在425～815℃范圍內停留一段時間時，過飽和的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻元素化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如Cr23C6等。鉻在晶粒內擴散速度比沿晶界擴散的速度小，內部的鉻來不及向晶界擴散，在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來自晶界附近，結果就使晶界附近的含鉻量大幅減少。當晶界的鉻質量分數低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”，貧Cr區和晶粒本身存在電化學性能差異，使貧Cr區（陽極）和處于鈍化態的基體（陰極）之間建立起一個具有很大電位差的活化——鈍化電池。貧Cr區的小陽極和基體的大陰極構成腐蝕電池，在腐蝕介質作用下，貧鉻區被快速腐蝕，晶界首先遭到破壞，晶粒間結合力顯著減弱，力學性能惡化，機械強度大大降低，然而變形卻不明顯。這種碳化物在晶界上的沉淀一般稱之為敏化作用。

對于含穩定化元素的奧氏體不銹鋼在其焊接接頭區域經歷多次加熱和冷卻循環，會在狹窄的特定區域內導致原本溶解在TiC或NbC中的C元素析出，并與Cr元素結合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如Cr23C6等，同樣形成貧鉻區，造成耐腐蝕能力下降。金屬材料發生敏化后，在腐蝕介質中晶界因耐腐蝕能力較低而發生優先腐蝕;或未發生敏化的材料在特定的腐蝕介質中晶粒邊界或晶界附近優先發生腐蝕，使晶粒之間喪失結合力的一種局部破壞過程。發生敏化的奧氏體不銹鋼非常容易發生晶間腐蝕。

1.3影響因素

（1）含碳量：含碳量越高，敏化敏感性越高，晶間碳化物析出傾向性越大，也越容易發生晶間腐蝕;

（2） 合金成份：加入Ti、Nb等能形成穩定碳化物（TiC或NbC）的元素并進行穩定化處理，可降低敏化和晶間腐蝕敏感性;

（3）熱處理：加熱到高溫進行固溶處理，然后快速冷卻（如水冷）形成單一奧氏體相可避免敏化，但現場施工一般不能滿足固溶熱處理的要求，故一般只用于制造工廠;

（4） 工藝條件：使用奧氏體不銹鋼的工段將操作溫度降低至425℃以下可避免敏化發生。

1.4主要預防措施

（1）選用含碳量低的奧氏體不銹鋼可以徹底避免敏化的發生，如超低碳奧氏體不銹鋼系列;

（2）添加一定的穩定化合金元素，如Ti、Nb等形成穩定碳化物;

（3）固溶熱處理一般只應用于工廠在制的設備和管道，不推薦在施工現場進行;

（4）調整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵素體雙相組織，這種雙相組織不易產生晶界敏化;

（5）對有晶間腐蝕傾向的鐵素體不銹鋼，在700～800℃進行退火。

2.疲勞容器開裂問題

疲勞是指在循環機械載荷作用下，材料、零件或構件在一處或幾處產生局部永久性累積損傷而產生裂紋的過程。經一定循環次數后，裂紋不斷擴展，可能導致突然完全斷裂。

2.1疲勞容器特點

（1）工況循環交變;

（2）設計標準：JB/T4732-1995鋼制壓力容器-分析設計標準（2005年確認），非GB150;

（3）焊縫余高被打磨平;

（4）容易出現裂紋，應力集中部位。

2.2主要影響因素

（1）幾何形狀：機械疲勞損傷通常起始于周期載荷下幾何形狀不連續處的表面，構件設計時幾何形狀的選擇具有較大的影響，易致機械疲勞的常見幾何形狀不連續處有槽口、開孔、未修磨的焊接接頭、缺陷、錯邊、腐蝕坑、急冷接管處、螺紋根部缺口等;

（2）應力：碳鋼、低合金鋼和鈦材在應力極限以下服役不會發生疲勞開裂;奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、鋁和多數其它非鐵基合金沒有應力極限，不管應力幅的大小，在循環機械載荷作用下均可發生疲勞損傷;

（3）冶金和顯微結構：材料內部存在冶金和顯微結構的不連續，如金屬夾雜物、鍛造缺陷、修磨后的焊接接頭、工卡具劃痕、機械磨損劃痕和機械加工刀痕等位置，易產生機械疲勞損傷;

（4）熱處理和微觀組織：熱處理可改善冶金和顯微結構不連續，降低機械疲勞損傷的敏感性，如調質處理（淬火+回火）可提高碳鋼和低合金鋼的耐疲勞能力。一般來說細晶微觀組織比粗晶微觀組織耐疲勞性能好;

（5）循環次數：碳鋼、低合金鋼和鈦材在高于應力極限時，循環次數越大，疲勞損傷致失效可能性越高。

3.不銹鋼封頭開裂問題

裂紋形態：發生在封頭直邊段（受力與變形最大的位置），多垂直與焊縫，打磨消除過程中越來越多，且基本穿透母材。

原因分析：

奧氏體不銹鋼封頭冷加工成形時在壓制力的反復作用下很容易發生馬氏體相變引起加工硬化，產生位錯的堆積和金相組織的變化，冷加工變形程度越大，產生的形變馬氏體越多。

解決方法：固溶處理

4.結語

安全無小事，檢驗機構需完善理論知識，豐富現場經驗，使用單位更應該對自己的設備負責，對自己員工負責，對設備進行有效的維護保養，對安全管理人員進行更好地培養，增強特種設備安全意識，這樣才能盡可能地防止安全事故的發生。

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