淺談煤氣化裝置損傷機(jī)理

米瑪旺堆 旦增羅杰 扎西向秋

摘 ?要：現(xiàn)代煤化工是以煤氣化為龍頭，以一碳化工技術(shù)為基礎(chǔ)，合成、制取各種化工產(chǎn)品和燃料油的煤炭潔凈利用技術(shù)，在環(huán)保、煤種適應(yīng)性和煤利用效率等方面更具優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)品附加值高，市場(chǎng)潛力大，具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。本文就煤氣化裝置常見的損傷機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。

關(guān)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(jī)物轉(zhuǎn)化為煤氣的過程。典型的煤氣化技術(shù)有常壓固定床氣化技術(shù)、碎煤固定床加壓氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床煤氣化技術(shù)等。煤氣化裝置具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期短，設(shè)備磨損嚴(yán)重，維修頻繁，維修工作量大等特點(diǎn)，故檢驗(yàn)人員在日常檢驗(yàn)中需重點(diǎn)檢查具備腐蝕開裂機(jī)理的部位。以下就常見的開裂問題加以論述。

1.復(fù)合板或堆焊層開裂問題

復(fù)合板和堆焊層的作用：隔離介質(zhì)與基材直接接觸，避免腐蝕，降低設(shè)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(yīng)力，都會(huì)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊后熱處理（壁厚一般大于38mm），但對(duì)于復(fù)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(nèi)進(jìn)行熱處理將會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)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(wěn)定態(tài)（即不含鈦或鈮等穩(wěn)定化元素），室溫時(shí)碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，遠(yuǎn)低于不銹鋼的實(shí)際含碳量，故過飽和的碳被固溶在奧氏體中，當(dāng)溫度超過425℃并在425～815℃范圍內(nèi)停留一段時(shí)間時(shí)，過飽和的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)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(nèi)擴(kuò)散速度比沿晶界擴(kuò)散的速度小，內(nèi)部的鉻來(lái)不及向晶界擴(kuò)散，在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來(lái)自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大幅減少。當(dāng)晶界的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，貧Cr區(qū)和晶粒本身存在電化學(xué)性能差異，使貧Cr區(qū)（陽(yáng)極）和處于鈍化態(tài)的基體（陰極）之間建立起一個(gè)具有很大電位差的活化——鈍化電池。貧Cr區(qū)的小陽(yáng)極和基體的大陰極構(gòu)成腐蝕電池，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)被快速腐蝕，晶界首先遭到破壞，晶粒間結(jié)合力顯著減弱，力學(xué)性能惡化，機(jī)械強(qiáng)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(duì)于含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼在其焊接接頭區(qū)域經(jīng)歷多次加熱和冷卻循環(huán)，會(huì)在狹窄的特定區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致原本溶解在TiC或NbC中的C元素析出，并與Cr元素結(jié)合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如Cr23C6等，同樣形成貧鉻區(qū)，造成耐腐蝕能力下降。金屬材料發(fā)生敏化后，在腐蝕介質(zhì)中晶界因耐腐蝕能力較低而發(fā)生優(yōu)先腐蝕;或未發(fā)生敏化的材料在特定的腐蝕介質(zhì)中晶粒邊界或晶界附近優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種局部破壞過程。發(fā)生敏化的奧氏體不銹鋼非常容易發(fā)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(fā)生晶間腐蝕;

（2） 合金成份：加入Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物（TiC或NbC）的元素并進(jìn)行穩(wěn)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(jìn)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(xiàn)場(chǎng)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(fā)生。

1.4主要預(yù)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(fā)生，如超低碳奧氏體不銹鋼系列;

（2）添加一定的穩(wěn)定化合金元素，如Ti、Nb等形成穩(wěn)定碳化物;

（3）固溶熱處理一般只應(yīng)用于工廠在制的設(shè)備和管道，不推薦在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行;

（4）調(diào)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(chǎn)生晶界敏化;

（5）對(duì)有晶間腐蝕傾向的鐵素體不銹鋼，在700～800℃進(jìn)行退火。

2.疲勞容器開裂問題

疲勞是指在循環(huán)機(jī)械載荷作用下，材料、零件或構(gòu)件在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷而產(chǎn)生裂紋的過程。經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，裂紋不斷擴(kuò)展，可能導(dǎo)致突然完全斷裂。

2.1疲勞容器特點(diǎn)

（1）工況循環(huán)交變;

（2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T4732-1995鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)），非GB150;

（3）焊縫余高被打磨平;

（4）容易出現(xiàn)裂紋，應(yīng)力集中部位。

2.2主要影響因素

（1）幾何形狀：機(jī)械疲勞損傷通常起始于周期載荷下幾何形狀不連續(xù)處的表面，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)幾何形狀的選擇具有較大的影響，易致機(jī)械疲勞的常見幾何形狀不連續(xù)處有槽口、開孔、未修磨的焊接接頭、缺陷、錯(cuò)邊、腐蝕坑、急冷接管處、螺紋根部缺口等;

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

（3）冶金和顯微結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部存在冶金和顯微結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，如金屬夾雜物、鍛造缺陷、修磨后的焊接接頭、工卡具劃痕、機(jī)械磨損劃痕和機(jī)械加工刀痕等位置，易產(chǎn)生機(jī)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(jié)構(gòu)不連續(xù)，降低機(jī)械疲勞損傷的敏感性，如調(diào)質(zhì)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(lái)說細(xì)晶微觀組織比粗晶微觀組織耐疲勞性能好;

（5）循環(huán)次數(shù)：碳鋼、低合金鋼和鈦材在高于應(yīng)力極限時(shí)，循環(huán)次數(shù)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(tài)：發(fā)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(lái)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(shí)在壓制力的反復(fù)作用下很容易發(fā)生馬氏體相變引起加工硬化，產(chǎn)生位錯(cuò)的堆積和金相組織的變化，冷加工變形程度越大，產(chǎn)生的形變馬氏體越多。

解決方法：固溶處理

4.結(jié)語(yǔ)

安全無(wú)小事，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)需完善理論知識(shí)，豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，使用單位更應(yīng)該對(duì)自己的設(shè)備負(fù)責(zé)，對(duì)自己?jiǎn)T工負(fù)責(zé)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)安全管理人員進(jìn)行更好地培養(yǎng)，增強(qiáng)特種設(shè)備安全意識(shí)，這樣才能盡可能地防止安全事故的發(fā)生。

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