氣化爐接管泄漏失效評估與修復(fù)

吳磊，劉林勇，王培水，劉海光

（1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院棗莊分院；2.新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東 棗莊 277100）

氣化爐是水煤漿加壓氣化制甲醇工藝關(guān)鍵設(shè)備之一，由上下兩部分組成，上部分為燃燒室，下部分為激冷室，通過托磚盤隔開，燃燒室內(nèi)壁襯有多層耐火磚，與筒體分別承擔耐高溫和高壓的作用，水煤漿噴入氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生反應(yīng)，數(shù)秒內(nèi)完成氣化過程，通常達到1300～1500℃高溫，為實時監(jiān)測爐內(nèi)高溫，在燃燒室殼體外壁均勻布置多個熱電偶測溫點，氣化爐殼體材料為SA387 Gr11 CL2，燃燒室最高工作壓力6.5MPa，設(shè)計壓力7.15MPa，工作溫度260℃，設(shè)計溫度425℃，燃燒室介質(zhì)為一氧化碳、氫氣、二氧化碳為主要成分的高溫煤氣、熔渣，該設(shè)備于2011年8月投入運行，已投入運行近9年，常備使用。

1 事故概況

點爐開車過程中，車間巡檢人員發(fā)現(xiàn)，上部燃燒室一處熱電偶接管加強段末端與法蘭連接處有氣體泄漏，經(jīng)檢查為間隔5mm的兩處針狀泄漏點，在組織停車處理漏點過程中，泄漏處管壁突然發(fā)生爆破，立即向公司報告，該公司立即啟動了特種設(shè)備事故應(yīng)急救援預(yù)案，第一時間協(xié)調(diào)總調(diào)度緊急停車，并立即組織相關(guān)作業(yè)人員迅速撤離現(xiàn)場，啟動自控系統(tǒng)切斷與該設(shè)備相連接供料管線，及時控制了火情的蔓延，有效控制了事故影響的擴大，事故未造成人員傷亡。

圖1 氣化爐機構(gòu)示意圖（破口位置圖）

2 現(xiàn)場勘查

應(yīng)急處置順利完成后，公司組織相關(guān)技術(shù)人員成立技術(shù)調(diào)查組，進行勘查和技術(shù)分析，經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，漏點的位置在熱電偶接管加強段末端與法蘭連接管壁處，熱電偶加強管鍛件通徑為DN100，材質(zhì)為SA182 F11 CL2Ⅲ，泄漏點接管為整體鍛件產(chǎn)品，與燃燒室筒體是插入式對接接頭，破口位置見圖一，漏點爆破口宏觀形貌為沿氣流方向呈小喇叭形向外張撕開，破口處整個斷口比較平整，斷面與徑向約成45°角，斷口邊緣鋒利，具有剪切韌性斷裂特征，破口外觀形貌見圖2，從破口位置沿截面切開，截面形貌見圖3，對破口處進行剩余厚度測量，發(fā)現(xiàn)厚度變化不一，斷口處厚度1～2mm，均小于管壁完好處的厚度10mm，宏觀分析結(jié)果表明，該破口處局部減薄嚴重，判斷主要失效模式為韌性開裂。

受此次事故影響，大量可燃工藝介質(zhì)泄漏燃燒，火焰通過框架擋板折射至爆破口上方燃燒室外壁局部，受熱輻射影響，局部已有炭黑色可見火焰灼燒痕跡，事故熱輻射影響區(qū)位置見圖4。調(diào)取運行記錄發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生前，該設(shè)備運行壓力在3.2～6.5MPa，操作溫度在100～200℃，點爐過程中呈緩慢升壓狀態(tài)，在升至6.5MPa事故突發(fā)，全過程無明顯超許用參數(shù)運行的情況。

圖2 破口處原貌

圖3 破口處截面樣貌

3 失效分析評估

為全面分析評估事故影響程度，保證設(shè)備盡快安全復(fù)產(chǎn)運行，除對熱電偶接管泄漏事故中泄漏點破口的修復(fù)外，對受火焰沖擊、熱輻射區(qū)表面影響較嚴重的接管加強段及燃燒室殼體外表面也進行一些檢測分析項目。因而，除現(xiàn)場勘查外，對上述范圍內(nèi)分別進行了相應(yīng)的材質(zhì)分析和磁粉檢測、硬度測定、金相檢測、強度校核等檢測項目（檢測點編號位置見圖4）。

表1 測點硬度測試、金相分析及強度校核結(jié)果匯總

表2 焊接工藝參數(shù)匯總

圖4 熱輻射區(qū)位置及檢測點編號布置圖

（1）材質(zhì)分析：查閱了該設(shè)備材質(zhì)證明書并實施復(fù)驗的報告，并將其中關(guān)鍵元素含量指標對照有關(guān)技術(shù)要求，光譜分析抽樣檢測值均在標準要求范圍內(nèi)。

（2）磁粉檢測：實施磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

（3）硬度測試、金相分析及強度校核結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯異常（結(jié)果匯總見表1）。

分析評估結(jié)果：根據(jù)現(xiàn)場破口觀察測量數(shù)據(jù)，并綜合上述檢測分析結(jié)果，受熱輻射影響較為嚴重的接管加強段、燃燒室殼體外表面局部，硬度檢測和金相組織基本符合要求，應(yīng)監(jiān)控使用，出現(xiàn)漏點的破口應(yīng)修復(fù)合格后設(shè)備方可投入運行。

4 破口修復(fù)工藝的優(yōu)化

此次破口修復(fù)采取將接管短節(jié)法蘭從破口處切開，然后，開坡口進行對接焊接，射線檢測合格，以保證修復(fù)質(zhì)量。具體步驟如下：

（1）現(xiàn)場辦好票證后，用砂輪機將法蘭從破口處切掉，法蘭切掉后，采用機加工的方法重新進行坡口加工。法蘭內(nèi)孔如出現(xiàn)腐蝕、沖刷等，采用補焊的方式，修復(fù)至圖紙尺寸，法蘭高度適當減小。法蘭機加工完成后進行100%滲透檢測，結(jié)果符合NB/T47013-2015中規(guī)定的I級合格，備用。現(xiàn)場用砂輪機和電磨，對加強管口部內(nèi)外側(cè)進行打磨，打磨至漏出金屬色，然后，對加強管口部進行100%滲透檢測，如若仍有缺陷，則繼續(xù)打磨，直至進行100%滲透檢測I級合格為止。打磨完成，滲透檢測合格后，根據(jù)現(xiàn)場情況，對加強管上的缺陷進行補焊，直至補焊到圖紙尺寸為止，加強管伸出長度適當減短。

（2）補焊完成后，按照圖五所示坡口形式重新打磨坡口。坡口打磨完成后，對加強管口部重新進行100%滲透檢測，結(jié)果符合NB/T47013-2015中規(guī)定的I級合格。法蘭和加強管組對修復(fù)時，必須先用氧乙炔火焰進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度150℃。

圖5 焊前坡口準備示意圖

（3）焊接工藝要求。此環(huán)縫的焊接材料采用Cr-Mo材料，焊接方法為GTAW+SMAW，GTAW焊材為ER-80S-B2，SMAW焊材為E-8016-B2。焊后采用立即進行消應(yīng)力熱處理，焊接工藝參數(shù)見表2。

熱處理工藝如下：400℃以下自由升溫，400℃以上以升溫速度55～200℃/h限定升溫，升溫至690±14℃保溫，保溫時間：30min，400℃以上以降溫速度55～260℃/h限定降，400℃以下自由降溫。參照GB150和固容規(guī)。

本工藝在保證修復(fù)部位焊接質(zhì)量的同時，也節(jié)約了修復(fù)時間，為企業(yè)生產(chǎn)線的復(fù)產(chǎn)提供了必要的保證，具有較好的經(jīng)濟效益。

5 修復(fù)優(yōu)化建議

為保證焊接質(zhì)量和產(chǎn)品本體安全，施焊過程中及焊后需要注意的事項建議如下：

（1）焊接電源調(diào)試：焊接設(shè)備在接好后，在預(yù)先備好的試板上，調(diào)試焊接電流、電壓等焊接參數(shù)。

（2）焊前清理：采用角向磨光機或電磨對焊接部位進行打磨，打磨完成后焊接部位應(yīng)保持平整，不得有裂紋、分層、夾雜等缺陷，焊接部位及其兩側(cè)各30mm的范圍，不得有水、油、銹、積渣和其他有害雜質(zhì)存在。

（3）打磨完成后，對焊接部位委托進行100%滲透檢測（PT），結(jié)果符合結(jié)果符合NB/T47013-2015中規(guī)定的Ⅰ級合格，方可進行焊接。

（4）焊接前，用氧乙炔火焰進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度150℃。

（5）焊接過程中，引弧應(yīng)在焊接部位內(nèi)進行，嚴禁在焊接部位之外的母材表面引弧和試驗電流，并應(yīng)防止電弧擦傷母材。焊接時，采用手工電弧焊的焊接方法。

（6）焊接過程中，要保證全焊透，且焊接過程中要保證層與層之間藥皮清理干凈。

（7）施焊過程中，應(yīng)保證引弧和收弧處的質(zhì)量，收弧時應(yīng)將弧坑填滿。多層多道焊的層間接頭應(yīng)錯開，搭接量50%～60%。

（8）每焊一道焊縫，即進行焊后錘擊消除焊接應(yīng)力，但蓋面層不得采取錘擊措施。

（9）焊縫應(yīng)在焊完后立即去除渣皮、飛濺物，清理干凈焊縫表面，然后，進行焊縫外觀檢查。

（10）對焊接部位進行消應(yīng)力熱處理，熱處理后對焊接部位進行100%滲透檢測，結(jié)果符合NB/T47013-2015中規(guī)定的Ⅰ級合格。