气化炉烧嘴失效分析

P,理化检验=物理分册2005年数合势■气化炉烧嘴失效分析陈斌,侯洪文钟彦平,张玉福,郭志军(中石油宁夏分公司.银川750026)( 兰州石油机械研究所，兰州730050)摘要:随着能源结构的变化,大化肥装置的气化炉普遍进行了油改气,但随着气化炉负荷的提高，炉膛温度上升,烧嘴的失效问题日益突出,主要表现有烧嘴的烧损和冷却水夹套焊缝泄漏。从材料的选择、制造、使用等方面着重分析和讨论了高温、腐蚀、应力等因素对其失效行为的影响,并提出了解决措施。关键词:气化炉;烧嘴;高溫廣蚀;焊接缺陷;腐蚀疲劳;失效分析;中国分类号: TG142. 33文献标识码: A文章编号: 1001- 4012(2005)增刊有明显的降低,由原来的4~12个月降低到30天左1概述右或者更短的时间。如1号气化炉一烧嘴头于气化炉是合成氨生产的龙头设备,以前是将经2004年11月投用,使用34天时、在水冷盘管与烧预热的渣油和氧气适当配比混合燃烧生成工艺气嘴水冷套的焊接部位开裂,产生泄漏致使炉内工艺体。为适应新的能源结构的变化,现在是将天然气气分改变,被迫停车检修。为保证设备的正常运行和氧气以适当配比混合,经不完全燃烧生成所需工和连续生产,解决烧嘴早期失效的问题，们解剖失效艺气。经过预热的高压氧气(80C、10.0MPa)和天烧嘴进行全面分析。然气(304C ,10. 0MPa)分别通过烧嘴的中心管和环隙喷入气化炉燃烧室,混合燃烧,燃烧后炉内气氛H2为61~62%、CO约32% .CO2为5. 8%~6%、水蒸气<2%。目前我国进口的多套520X10*t尿素装置的合成氨生产的气化炉是采用美国德士古公司的专利,饶嘴加装在燃烧室顶部,烧嘴各部材料均采用镍基变形超耐热合金Inconel600 制造。该烧嘴由物料输送部分、物料混合部分和冷却部分水冷盘管和水夹套组成。冷却水为去离子水,进水温度28图1解剖分析的气化炉烧嘴- 32C,出水温度38~42C、压力1.6MPa。由于原料含有一定量的杂质,同时,有效气即具有氧化性，又具有还原性,其腐蚀行为相当复杂。实际操作中炉膛温度1400~ 1450C,尽管有循环水冷却,正常工作时烧嘴表面温度仍然到达900C左右。从历次对气化炉烧嘴检验的结果分析可知,其头部的外表面呈现严重的疲劳腐蚀开裂特征,同时,伴有晶间、沿晶、穿晶特性,而且,裂纹主要集中在冷却水夹套端面部位。它的运行状况直接影响工艺气中有效气中国煤化工的含量和生产的连续性。烧嘴使用寿命通常是4~12个月,失效主要有YHCNMHG的裂纹特征两类:高温损伤壁厚减薄和水冷夹套泄漏。生产原2宏观检查.料油改气后,提高了设备的负荷,烧嘴的使用寿命也，348●.P.理化检验=物理分册陈斌等:气化炉烧嘴失效分析2.1外观检查检验的1号气化炉烧嘴带有一段进出口水管，冷却水管和水夹套的外表面有金属光泽和少量腐蚀产物;烧嘴顶部水夹套表面存在黑色腐蚀产物,外壁棱角处存在表面裂纹;在烧嘴头部的斜面和距顶部100mm范围内的表面上为龟裂裂纹和黑色腐蚀产物,顶部棱角部位多条平行裂纹;水冷管与烧嘴水夹套焊接接头内弯和外弯部位都存在裂纹。PT检测烧嘴表面裂纹见图2。图3水冷管与烧嘴水冷夹套焊接接头中心纵2.2剖 面检查分别沿烧嘴纵向和水冷管与烧嘴水冷夹套焊接接头中心纵向剖开做宏观检查,图3和图4.烧嘴各部位壁厚无明显的减薄,内壁无腐蚀产物。烧嘴为焊接结构件,直管与变径斜面焊缝连接;水冷夹套外侧为堆焊层;冷却水管与烧嘴水夹套为承插式焊接。烧嘴外表面氧化腐蚀裂纹,表面起裂、多条平行深度约2mm;烧嘴顶部棱角处氧化腐蚀疲劳裂纹,多条平行,深度不同;冷却水管焊接接头裂纹,内、外壁表面起裂,穿晶扩展。裂纹深度不同,部分已穿透图4烧嘴纵向剖面壁厚;冷却水管焊接接头内部存在结构不连续和局部烧损缺陷;烧嘴水冷夹套外侧堆焊层内壁疲劳裂3化学成分分析纹,裂纹起始于内部缺口应力集中处,烧嘴顶部和水分析烧嘴基体和顶部冷却水夹套焊缝、冷却水夹套外壁存在补焊特征。管以及焊接用的焊丝化学成分，分析结果(质量分数)见表1.表1烧嘴化学 成分分析结果及相关数据%样品化学成分分析结果标准成分编号烧嘴冷却水管水夹套烨缝焊丝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中国煤化工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理化检验=物理分册陈斌等:气化炉烧嘴失效分析烧嘴基体和冷却水管材料中各化学元素含量符合Inconel 600材料标准。焊丝的分析结果与标准成分有一-定的出人， 根据主要合金元素铬、镍和银的含量焊丝应当属于ENiCrFe-0,但焊丝中的锰和铁元素的含量较低。根据水夹套焊缝成分分析结果,焊缝应当属于Ni-CrFeCo合金,未查到相应的牌号。水夹套焊缝X-ray 成分分析发现,水夹套壁厚方向上成分有明显的差异,外层Ni29. 58%、Cr24. 79%、Fel4. 95%、Co30.68%与化学成分分析结果接近或相同;内层图5水冷管内壁焊缝热影响区裂纹Ni50. 30%、Cr21.12%、Fel1. 40% .Col7.19%，其中钴、铬和铁元素的含量低于外层。4金相分析根据宏观检查的结果,金相分析在烧嘴基体及其焊缝、水冷管母材及其焊接接头角焊缝、烧嘴水冷.夹套外侧的几个部位取样，进行了烧嘴和水冷管金图6水夹套堆焊层焊接结 晶裂纹相组织观察,以及不同部位裂纹形貌特征分析。4.1金相组织5.1烧嘴表面 氧化裂紋断口各部位金相组织检查说明,高温条件下烧嘴和断口宏观特征为裂纹探度约3mm,断面粗糙，水冷管组织已发生改变,晶内和晶界上有点状析出无塑性变形和金属光泽,有黑色腐蚀产物。表面多物冷却水管夹杂物较多表面存在氧化物层。组织晶源起裂,起裂部位有台阶。粒存在形变特征,这是水冷管加工成形时留下的,也断口微观形貌为裂纹起源存在腐蚀坑和裂纹，就是说水冷管加工成形后未进行固溶处理。水冷夹裂纹扩展区主要为氧化腐蚀产物，裂纹扩展的尖端套外侧和顶部进行过补焊.呈沿晶+解理+腐蚀产物特征,见图7.4.2 裂纹及其扩展特征5.2水冷管焊缱裂纹断口烧嘴、水冷夹套堆焊层和水冷管焊接接头多处断口宏观特征为裂纹深度不同一般> 1.5mm,存在裂纹,其特征与宏观检查相符。微观主要特点有的已经穿透壁厚,内、外壁表面都有裂纹起源，源是，烧嘴外壁表面氧化腐蚀裂纹，表面起裂,扩展呈区有台阶,断面粗糙,无塑性变形,无金属光泽,有黑沿晶和穿晶混合特征、多条同时扩展,裂纹内有氧化色腐蚀产物。腐蚀产物,尖端钝粗;水冷管外壁表面裂纹,表面起断口微观形貌为裂纹起源存在裂纹和台阶,断裂多条平行,穿晶扩展,裂纹内有氧化腐蚀产物,尖裂面腐蚀产物较少,裂纹扩展的前沿存在弧线带,裂端尖细;烧嘴水冷夹套外侧堆焊层内存在焊接结晶纹扩展区形貌特征为解理和疲劳条纹,见图8。裂纹,具有沿晶特征;水冷管与水冷夹套焊接接头裂纹,内外壁表面都有发生,外壁裂纹穿晶扩展,尖端较钝裂纹内有氧化腐蚀产物，呈疲劳裂纹的特点:内壁裂纹都发生在棱角和结构不连续处，同时这也是焊缝熔合区和热影响区,裂纹尖端尖细,有分叉特征。裂纹形貌特征见图5和图6。中国煤化工5断口分析MHCNMHG打开水冷管焊缝裂纹和烧嘴表面氧化裂纹进行.断口分析.图7沿晶+解理+腐蚀产物方月数据e,.理化检验=物理分册.陈斌等:气化炉烧嘴失败分析焊接残余应力和材料成分、组织的不均匀性,在管内外温差热应力、循环水的进出口产生喘流冲击、压力以及水管的振动等应力的作用下,所以首先在水冷管部位开裂。(4)该烧嘴及其水冷管金相组织有些改变,即晶界和晶内存在少量析出,由于烧嘴使用时间短,组织劣化和表面高温损伤(氧化腐蚀)的程度都比较低。高温氧化腐蚀是烧嘴的主要破坏形式之一。温图8解理+疲劳条纹度是烧嘴使用寿命的关键。高温氧化直接和温度、介质有关。如果解决了烧嘴制造的质量问题，高温6结果分析失效就显得很突出。高温会带来许多问题,材质的(1)烧嘴和冷却水管材料符合Inconel 600标劣化,特别是在应力的作用下会加速这- -进程;在高准;焊丝为ENiCrFe-0;水夹套焊缝焊缝属于Ni-温下材料没有疲劳极限,疲劳强度随循环次数的增.Cr-Fe-Co合金。加不断降低,寿命随着温度的提高而减少,温度上升Inconel 600是镍基高温合金,镍含量在72%以还会使烧嘴的热应力大大升高,应力的升高又同时上,使得材料具有稳定的奥氏体组织，铬含量在14导致材料疲劳寿命的缩短。~17%之间,使其具有优良的高温强度和抗氧化能高温环境中金属材料组织会发生转变,影响构力。烧嘴位于气化炉燃烧室内，长期在900C以上件的抗氧化性能,特别是介质中含S、Cl、V2O3、的环境中工作,要求材料组织稳定并具有足够的热NaSO,等有害组份时在800个以上就会发生一系列强度、抗氧化性能和耐热腐蚀和抗疲劳性能等,是目高温腐蚀,气化炉烧嘴头顶部和外壁受到高温辐射前与气化炉工作条件相适应首选材料。和燃气冲刷,在温度和介质的作用下,这就是高温过(2)烧嘴及其水冷管存在多种类型的裂纹,烧热造成的表面损伤和破坏。如果燃气介质中含有在嘴表面氧化腐蚀裂纹、烧嘴水冷夹套外侧堆焊层结硫酸盐和氯化物等,破坏氧化皮的致密性,可以有选晶裂纹、烧嘴顶部棱角处腐蚀疲劳裂纹、水冷管焊接择的生成低熔点的腐蚀产物。硫化物膜缺陷浓度.接头外表面和内壁腐蚀疲劳裂纹,其中水冷管焊接大,容易开裂和剥落,镍的硫化物熔点比较低.接头内壁起裂的腐蚀疲劳裂纹,在裂纹扩展的初期(645C),Ni+NiS的共晶点温度也低。促进了晶界具有应力腐蚀开裂的特征;反映了烧嘴及水冷夹套腐蚀的进程,对于镍及其合金硫化是一种比氧化更和水冷管高温服役条件下应力状态复杂。烧嘴水冷严重的高温破坏形式。基体金属和氧化皮热膨胀系夹套外侧堆焊层结晶裂纹是焊接工艺不当产生的裂数的差别、氧化皮生长速度的差别将导致氧化皮剥纹。从这一次解剖分析的烧嘴看,除了不可避免的落,促进裂纹扩展。检验中我们看到烧嘴外表面在高温介质、压力等条件外,烧嘴本身的质量是该烧嘴短时间内就已形成深度为2mm的网状裂纹。产生早期失效的重要原因。(5)根据对汽化炉烧嘴作的有限元应力分析，(3)解剖分析烧嘴及其水冷管焊接接头,发现从计算结过看,当烧嘴只承受工作压力不考虑温度该烧嘴存在直接影响寿命的缺陷,如烧嘴水冷夹套时，烧嘴各部位应力水平都比较低,最高值为堆焊层结晶裂纹和水冷管焊接接头内壁结构不连续171MPa;当烧嘴外表面900C ,冷却水32C和工作处。烧嘴水冷夹套堆焊层焊接材料与烧嘴和水冷管压力共同作用下,饶嘴的应力水平急剧升高,按线弹的化学成分有很大的差别,高合金异种材料焊从工性计算最高达2713MPa。高应力水平在水冷套内艺和该结构特点上都有较大的难度,单面堆焊重复壁的损角上和外壁的樁角部位上.;检验发现高应力加热容易产生结晶裂纹,焊根与水接触的内表面凹水平中国煤化工生在应力水平为凸不平和棱角又是应力提升点。此外水冷管焊接又1515NYHCNMHG存在未焊透的缺在这个缺陷集中的处,焊后不进行热处理,在水冷管陷,说明缺口效应对疲劳破坏的影响重大。焊接接头部位增加了内部结构的不连续性,增加了351●P,理化检验=物理分册2005年短奇碍■烘筒爆炸原因分析廖景娱,洪锡钢,梁思祖,刘正义(华南理工大学,广州510640)摘要:不锈钢烘筒运转4~5 个月后爆炸。爆炸原因是因焊接质量不合格,主要是虚焊,虚焊处的强度不够,在热循环应力作用下,产生疲劳裂纹并扩展,导致蒸汽泄漏;同时,烘筒内有水,当蒸汽泄漏的瞬间,过.饱和的水急剧汽化,即引起蒸汽爆沸(或叫蒸汽爆炸),致使烘筒爆裂。关键词:烘筒;泄漏;爆裂中图分类号: TG142. 71文献标识码: A文章编号: 1001- -4012(2005)增 刊1情况简介烘筒的简体,用2. 5mm厚的不锈钢板焊接而简休成(见图1),内径794mm,长度2440mm;两封头的材料是Q235-A碳钢,烘简用作烘干布制品和皮革制品的拉链,在正常运转时，筒内的蒸汽压力6kg/cm2 ,温度170C。制造编号FC2002-363烘筒自投入生产到爆炸共运转4.5个月,每天运转2个工作班(约15h)。图1烘简外貌0.05X力集中着手,规范制造工艺,结构上避免应力集中;7结论规范焊接工艺,避免焊接缺陷,同时考虑在可能的情(1)烧嘴和水冷管材料为Inconel600;焊丝牌况下进行焊后去应力热处理。号ENiCrFe0;水夹套焊缝属于Ni-CrFe-Co合金。(2)水冷管成形后进行固溶处理,消除应力,稳(2)烧嘴水冷夹套外侧为堆焊层,堆焊层存在定组织。结晶裂纹、凹凸不平和棱角等焊接缺陷。(3)在满足生产要求的情况下,降低炉膛操作(3)烧嘴表面裂纹为高温氧化腐蚀裂纹。温度。(4)烧嘴顶部水冷管焊接接头裂纹和水冷夹套(4)改进水冷夹套的设计,外壁棱角圆滑过渡内壁焊縫根部裂纹是焊接缺陷造成局部应力集中引以及避免水冷管单面焊产生的缺陷。起的疲劳开裂,这是该烧嘴失效的主要原因。参考文献:8建议[1] 中国机械工程学会焊接学会编焊接手册第2版第2烧嘴失效主要有两大类,一-类是高温失效,包括卷材料的焊接[M].北京:机械工业出版社.2001.了表面氧化腐蚀,材质劣化,壁厚减薄;另一类是水[2]美国金属学会主编. 金属手册，第九版第三卷性能冷夹套开裂泄漏,焊接质量、结构缺陷和疲劳应力是与选择;不锈钢、工具材料及特殊用途金属材料[M]. .北京:机械工业出版,1991.造成开裂的主要原因。国产烧嘴材料和结构与国外中国煤化工革,简光沂校.不锈钢的损基本相同,材料为Inconel 600,使用寿命一般在4二械工业出版社.1981. .个月到1年,早期失效往往是和制造质量有关,因此THCNMH(溜蚀[M].北京:冶金工业.建议:出版社.2001.(1)防止早期失效从焊接接头部位降低局部应352●