Co50工藝燒嘴外氧層失效研究

姬慶濤 ， 于禮軍 ， 劉興亞 ， 陸 皓 ， 王亞潔

(1.兗礦東華重工有限公司 ， 山東 鄒城 273500 ; 2.上海交通大學(xué) ， 上海 200030)

Co50(同UMCo50)工藝燒嘴是新型對(duì)置四燒嘴水煤漿氣化爐的重要部件，此氣化爐由原兗礦集團(tuán)(現(xiàn)山東能源集團(tuán))、華東理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是目前國(guó)內(nèi)少數(shù)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)已廣泛產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行的連續(xù)煤氣化生產(chǎn)裝備，目前單產(chǎn)線最大日處理煤達(dá)4 000 t。工藝燒嘴在裝備運(yùn)行時(shí)，外氧層暴露在約1 300 ℃的高溫環(huán)境中，同時(shí)承受水煤漿對(duì)其流道的沖刷磨損、高溫高壓下氧化硫化腐蝕。工藝燒嘴壽命大多為60～100天(與使用的水煤漿種類、氣化爐壓力、流速等有關(guān))，之后需要停爐檢查維修并更換。外氧層的使用壽命影響著整條氣化爐生產(chǎn)線的開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)間。針對(duì)工藝燒嘴使用壽命進(jìn)行分析研究的項(xiàng)目很多，本文僅對(duì)外氧層零件本身進(jìn)行分析、研究，尋找受損原因，提出預(yù)防措施，以提高工藝燒嘴的使用壽命，延長(zhǎng)氣化爐的開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，有效降低氣化爐企業(yè)長(zhǎng)期運(yùn)行中的維護(hù)保養(yǎng)成本。

1 燒嘴原材料性能及受損情況

工藝燒嘴材料為UMCo50，其材質(zhì)證明書(shū)及復(fù)檢化學(xué)成分見(jiàn)表1，零件原材料熱處理方法為固溶處理。

表1 材料的化學(xué)成分范圍 %

Co50材料室溫下的機(jī)械性能見(jiàn)表2，該材料屬于固溶強(qiáng)化型鈷基合金，基體為奧氏體組織，強(qiáng)化相以非共格碳化物為主。

表2 固溶態(tài)力學(xué)性能(室溫)

受損后的工藝燒嘴外氧層端面出現(xiàn)不規(guī)則的龜裂且出現(xiàn)密集的徑向開(kāi)裂，見(jiàn)圖1。造成燒嘴無(wú)法正常使用，影響整條氣化生產(chǎn)線裝備的正常運(yùn)行。

2 失效燒嘴取樣

Co50燒嘴失效件取樣方法如圖2所示。從燒嘴整體失效件中沿著徑向截取一個(gè)扇形體(截取扇形夾角約45°)。首先對(duì)失效件的上表面如2(c)所示，利用掃描電鏡進(jìn)行拍攝及并對(duì)特征區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，來(lái)確定失效件不同位置的裂紋分布特征以及裂紋表面殘留物的元素分布特征；其次，從失效件如圖2(b)或圖2(c)所示橫斷面方向取樣，對(duì)取樣位置進(jìn)行掃描電鏡及特征區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，來(lái)分析失效件的裂紋分布特征；根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)綜合分析來(lái)探究其燒嘴失效原因。

a.失效件三維示意圖及取樣位置

3 表面裂紋失效分析

3.1 宏觀形貌

對(duì)取樣失效件的表面裂紋特征進(jìn)行體視顯微鏡拍攝，結(jié)果如圖3所示。

(a)～(e).依次為沿扇形徑向不同位置的局部放大圖

由圖3可以看到，沿著取樣失效件表面的徑向方向，其表面裂紋呈現(xiàn)不同的特征形貌：距離取樣圓心最近的區(qū)域，即圖3中所示的a區(qū)域，其表面裂紋寬度最寬，長(zhǎng)度最長(zhǎng)，且裂紋深度最深，裂紋延展方向大多為徑向方向。隨著逐漸遠(yuǎn)離取樣失效件表面扇形圓心，如圖3中所示的a區(qū)域和b區(qū)域，其裂紋的寬度明顯變窄，深度變淺，裂紋延展路徑也由單一方向轉(zhuǎn)為不規(guī)則密集路徑方向，開(kāi)始向龜裂特征轉(zhuǎn)變。繼續(xù)沿著其表面徑向方向觀察，裂紋特征基本上表現(xiàn)為裂紋特征，如圖3中所示的d區(qū)域，裂紋淺、細(xì)小、曲折且最為密集。當(dāng)沿著徑向方向靠近取樣失效件表面邊緣處附近時(shí)，如圖3中所示的e區(qū)域，裂紋長(zhǎng)大，裂紋變深、變寬，且又重新開(kāi)始具有一定的方向性，即沿著徑向方向擴(kuò)展。

由此分析，該失效件沿著表面扇形圓心徑向所呈現(xiàn)的不同龜裂裂紋特征，主要受水煤漿氣化燃燒加熱與取樣件散熱的綜合影響。水煤漿氣化燃燒加熱過(guò)程中，越靠近失效件扇形圓心，其燃燒加熱溫度越高，火焰熱震沖擊越大，導(dǎo)致扇形內(nèi)弧線附近的燒嘴極容易在持續(xù)的高溫燃燒下出現(xiàn)微熔化與燒損。因此，失效件表面靠近扇形圓心的a區(qū)域經(jīng)過(guò)高溫燃燒、加熱和熱震沖擊時(shí)，表面極其容易氧化、燒損與變形，同時(shí)燃燒產(chǎn)生的碳化物和硫化物等尾氣與煤灰沉積物進(jìn)一步加劇了燒嘴表面的腐蝕。再加上高溫合金元素的燒損、氧化與持續(xù)高溫作用，導(dǎo)致近表層合金元素偏析與晶粒長(zhǎng)大。以上諸多的因素為燒嘴近表層凝固與冷卻過(guò)程中，液化裂紋、凝固裂紋、高溫失塑裂紋(DDC)等的出現(xiàn)提供可能。而a區(qū)域裂紋特征所表現(xiàn)方向性與燒嘴表面散熱方向及晶粒取向有關(guān)，即裂紋往往沿著散熱方向以及晶粒晶界處呈放射狀開(kāi)裂。而隨著遠(yuǎn)離扇形圓心，如b、c、d 3個(gè)區(qū)域，由于燃燒火焰加熱溫度與火焰沖擊強(qiáng)度逐漸降低，其近表層幾乎未出現(xiàn)微熔化狀態(tài)。此外，該區(qū)域的火焰燃燒與燃燒尾氣與煤灰相對(duì)平穩(wěn)，合金元素?zé)龘p及氧化相對(duì)減弱，散熱方向性不明顯。因此，該區(qū)域表現(xiàn)為典型的表層龜裂特征。而隨著燃燒火焰?zhèn)鬟f至燒嘴扇形外弧線附近時(shí)，即e區(qū)域附近，該區(qū)域燃燒的高溫?zé)崃鞒裏鞂?dǎo)熱(主要冷卻水水流散熱)散失掉外，增加了與周圍空氣的對(duì)流散熱，使得整體散熱加快，且具有一定方向性。加上周圍空氣的氧氣向內(nèi)傳輸，導(dǎo)致此處燃燒火焰與對(duì)燒嘴近表層稍微加劇，裂紋略微變深變寬。

3.2 SEM形貌及EDS元素分析

利用掃描電鏡對(duì)燒嘴取樣件表面進(jìn)行SEM拍攝及特征區(qū)域的能量分布面掃描元素分析(EDS-Mapping)，結(jié)果如圖4所示。

沿著失效件扇形表面徑向方向由內(nèi)向外所取的4個(gè)區(qū)域依次為a、b、c、d區(qū)，其裂紋特征基本上對(duì)應(yīng)著圖3中典型特征的4個(gè)區(qū)域。此外，可以清晰地發(fā)現(xiàn)a區(qū)和b區(qū)表面及裂紋溝槽里附著上了一定厚度的氧化物、反應(yīng)生成物或煤灰沉積物，而c區(qū)和d區(qū)相對(duì)較薄。通過(guò)對(duì)這4個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行EDS Mapping元素面掃描可知，相比燒嘴原始材質(zhì)的元素含量(見(jiàn)表1)，其中a區(qū)和b區(qū)表面的氧、硫含量明顯偏高，鐵、鈷含量明顯偏低。因此可以推測(cè)，這兩個(gè)靠近扇形圓心區(qū)域的沉積物主要為反應(yīng)生成物與煤灰沉積氧化物、硫化物；此外，兩區(qū)域的合金中鐵元素和鈷元素的燒損比較嚴(yán)重。相較而言，c區(qū)和d區(qū)的元素百分含量相似，其表面氧化物、硫化物沉積層相對(duì)少一些，合金元素?zé)龘p較輕，但相比c區(qū)，d區(qū)表面受散熱環(huán)境條件影響所出現(xiàn)方向性大裂紋傾向依舊較為明顯，氧化物沉積稍有增多。

圖4 失效件表面SEM及EDS元素分析圖

為了進(jìn)一步分析圖4d區(qū)的裂紋特征及EDS元素分布，對(duì)該區(qū)域由低倍至高倍依次放大，并對(duì)該區(qū)域裂紋縫隙內(nèi)夾雜物進(jìn)行EDS元素成分分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 失效件表面裂紋SEM及EDS元素分析圖

通過(guò)圖5c區(qū)和圖5d區(qū)觀察可知，其裂紋縫隙內(nèi)為絮塊狀物。EDS Mapping元素掃描分析可知，該絮塊狀物氧、硫、鋁元素含量較高，燒嘴合金元素鐵、鈷、鉻元素含量均略有降低。因此，可推測(cè)該絮塊狀物主要為燒嘴合金元素的氧化物、高溫產(chǎn)生物；另外，還存在一些硫化物和硅酸鹽等。將該絮塊狀物的氧元素和硫元素含量與圖4 c區(qū)、d區(qū)EDS Mapping的氧元素和硫元素含量對(duì)比可知，失效件扇形表面的氧化物和硫化物主要在裂紋溝槽縫隙內(nèi)，而絮塊狀物主要表現(xiàn)為燒嘴合金元素的氧化物，硫化物的占比較低。從而驗(yàn)證了失效件表面外弧線附近的氧化作用較嚴(yán)重，尤其對(duì)裂紋的擴(kuò)展有明顯促進(jìn)作用。

4 分析與改進(jìn)建議

4.1 失效原因分析

綜合失效件表面裂紋失效分析，得出了Co50燒嘴失效件失效的特點(diǎn)及原因如下：在長(zhǎng)時(shí)間高溫燃燒下，燒嘴失效件表面表現(xiàn)為裂紋、變形、燒損與腐蝕。裂紋特征總體表現(xiàn)為越靠近燒嘴失效件端面中心區(qū)域，其大裂紋(裂紋較寬、較深、較長(zhǎng))傾向越嚴(yán)重，其中燒嘴失效件內(nèi)側(cè)有明顯的變形與燒損，這與水漿煤氣化燃燒在燒嘴表面的溫度分布有關(guān)。此外，在裂紋縫隙和燒損位置有大量硫化物、氧化物和碳化物的沉積層，這是高溫燃燒中氧化及尾氣與煤灰沉積造成的，而沉積層中硫、氧、碳等元素的百分比同樣與燒嘴表面受水煤漿氣化的燃燒程度及溫度分布有關(guān)。

通過(guò)裂紋形貌及EDS元素成分分析，可以得出裂紋萌生、開(kāi)裂、擴(kuò)展的原因。在持續(xù)水煤氣燃燒作用下，失效件端面受到高溫?zé)崃髯饔迷诒韺映霈F(xiàn)合金元素偏析及氧化硫化侵蝕，由此造成表層合金變形、微熔、外裂紋及燒損，這是外裂紋萌生與開(kāi)裂的綜合影響因素。此外，煤灰與煤灰硫化物、氧化物與碳化物不斷在裂紋源處沉積和沖蝕，加劇了外裂紋向內(nèi)層和表層徑向外側(cè)擴(kuò)展生長(zhǎng)，煤灰和燃燒生成物得以迅速充滿裂紋內(nèi)部，進(jìn)一步加劇了裂紋的長(zhǎng)大、擴(kuò)展，甚至腐蝕、燒損。

4.2 改進(jìn)建議

①增加相應(yīng)裝置或方法，持續(xù)對(duì)高溫燃燒后的端面及時(shí)做好硫化物和氧化物等沉積物的清理，降低再次腐蝕與開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；②對(duì)燒嘴端面進(jìn)行表面改性處理，可采用堆焊工藝在外層堆焊一定厚度的較高鈷元素含量的鈷基合金層(如Stellite 合金)，并對(duì)堆焊層進(jìn)行熱處理，使堆焊層更加致密。③在合金層表面噴涂陶瓷隔熱層，降低水煤漿氣化燃燒高溫與氧化硫化的影響，進(jìn)而減少鐵、鈷元素的燒損，減少或平衡鈷元素向燒嘴內(nèi)層的偏析；④對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加大燒嘴內(nèi)流產(chǎn)內(nèi)腔的接觸面積，以增大冷卻水接觸面積加快散熱，減少燒損。