魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕的修復施工技術(shù)

張永江

(阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新推廣中心(阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院)，遼寧 阜新 123000)

0 引言

魯奇氣化爐的工作原理和爐體結(jié)構(gòu)決定了在工業(yè)生產(chǎn)過程中容易面臨不同程度的腐蝕問題，內(nèi)夾套受高溫高壓煤炭腐蝕程度嚴重會導致整個裝置被迫停產(chǎn)。為了提升魯奇氣化爐的利用效率，保證工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，必須研究腐蝕修復施工技術(shù)與方法，有效解決魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕問題。

1 魯奇氣化爐工作原理與爐體結(jié)構(gòu)

1.1 魯奇氣化爐工作原理

魯奇爐的工作原理較為復雜，但大體上保持一致。首先是煤炭的燃燒來產(chǎn)生氣體，作為魯奇爐的燃燒資源；其次是在氣化爐內(nèi)對煤炭燃燒產(chǎn)生的氣體進行加壓、燃燒等工藝操作，使燃燒產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化為煤氣；再次是借助高壓設(shè)備提高煤氣的產(chǎn)生率，這要求魯奇爐內(nèi)部有極強的穩(wěn)定性，盡可能提升魯奇爐的高壓功能；最后是魯奇爐工作過程中爐內(nèi)處于高溫、高壓狀態(tài)，對設(shè)備穩(wěn)定性和安全性要求很高，需要確保工藝的精準度，并做好安全防護工作，避免各種意外因素影響發(fā)生爆炸等事故。

1.2 魯奇氣化爐爐體結(jié)構(gòu)

魯奇爐采用雙層夾套結(jié)構(gòu)，呈圓筒形，由煤鎖、爐體、布煤裝置、爐篦、灰鎖、洗滌器等設(shè)備構(gòu)成。原料煤從氣化爐頂部進入爐體，氧氣和蒸汽由下部注入，灰渣從爐底排出，燃燒生成的氣體經(jīng)過洗滌器后得到粗煤氣。

魯奇爐的爐體是最為重要的組成部分，需要承受高壓、高溫環(huán)境，具備煤炭燃燒的凈化功能，承擔氣化爐的主要功能[1]。除了爐體等主力設(shè)備外，魯奇爐還有閥門、煤槽等輔助設(shè)備來保證魯奇加壓氣化工藝的順利實現(xiàn)。其中閥門可以控制煤氣的生產(chǎn)和收集，煤槽便于原料煤進入爐體。這些輔助設(shè)備同樣起到重要的作用，有助于提高工藝流程的效率，降低人工操作量，降低生產(chǎn)的成本，并改善煤氣生產(chǎn)質(zhì)量。

2 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕機理及修復方案

魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕往往是受多種因素共同作用的結(jié)果，了解氣化爐內(nèi)夾套腐蝕機理，有助于針對性制定氣化爐內(nèi)夾套腐蝕的修復方案，有效解決內(nèi)夾套腐蝕問題，維持魯奇爐的正常運行[2]。

2.1 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕機理

在煤制氣化工生產(chǎn)過程中，魯奇爐的運行環(huán)境十分惡劣，高溫高壓環(huán)境下的原料煤會生成具有腐蝕性的氣體，對氣化爐內(nèi)夾套造成腐蝕破壞。氣化爐內(nèi)夾套腐蝕是化學與物理腐蝕共同作用的結(jié)果，通常初期主要是化學腐蝕，中后期主要是物理腐蝕。由于使用的原料煤煤質(zhì)不同，氣化爐化學腐蝕的原因也有所差異：

第一，原料煤中含有鹵化物，在燃燒過程中通過金屬氯化物的形式散發(fā)，再與水蒸氣等物質(zhì)反應生成鹽酸。高溫環(huán)境下的鹽酸可以對爐體鐵基鋼材產(chǎn)生化學腐蝕。

第二，原料煤中含有硫元素，在氣化爐內(nèi)生成硫酸鹽，會在內(nèi)夾套內(nèi)壁金屬表面形成熔鹽層，破壞表面的保護性氧化物。

第三，氣化爐內(nèi)的高溫環(huán)境會使內(nèi)夾套鐵基鋼材中的鐵元素與氧氣、水蒸氣反應，生成含鐵氧化物，造成金屬氧化腐蝕。

第四，隨著化學腐蝕的加深，氣化爐爐內(nèi)產(chǎn)生的氣流流動會對內(nèi)夾套內(nèi)壁造成沖刷腐蝕效果，形成溝槽，加快內(nèi)夾套的損壞進程。

2.2 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕的修復方案

對于魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕問題，需要針對引起內(nèi)夾套腐蝕的化學和物理原因，采取有效的工程技術(shù)手段來提升內(nèi)夾套的抗腐蝕能力。

化學腐蝕的原因主要在于原料煤中含有硫、氯等元素，氣化爐內(nèi)夾套內(nèi)壁金屬中含有鐵元素，采取的修復方案可以從兩個方面下手：

一方面是內(nèi)筒等使用高性能抗腐蝕的不銹鋼替換碳鋼，以增強抵抗化學腐蝕的能力。

另一方面是在碳鋼表面堆焊一定厚度的耐腐蝕材料，阻隔對內(nèi)夾套的化學腐蝕。為了尋找適合的耐腐蝕材料，可以在氣化爐內(nèi)進行掛片試驗，觀察鎳基合金、高鉻鎳奧氏體不銹鋼、304不銹鋼等材料的抗腐蝕能力，試驗結(jié)果表明鎳基合金和高鉻鎳奧氏體不銹鋼均具備較為理想的抗腐蝕能力和耐高溫氧化能力，可以滿足魯奇爐生產(chǎn)需要，其中inconel625鎳基合金的技術(shù)性能和經(jīng)濟性綜合最佳，可以作為魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕修復的首選材料[3]。

物理腐蝕的原因主要在于原料煤的熱穩(wěn)定性不好，爐內(nèi)布氣不均勻，煤燃燒產(chǎn)生的粗煤氣中含灰量較高。因此，采取的修復方案一方面在于增設(shè)原料煤篩分系統(tǒng)，提高入爐原料煤的粒徑級，減少煤粉含量；另一方面要調(diào)整氣化爐負荷分配，控制氣流流動速率，以減輕對內(nèi)夾套的沖刷腐蝕。

3 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕修復施工技術(shù)的工程應用

3.1 工程概況

某單位的煤制氣項目核心裝置為Mark Ⅳ型魯奇氣化爐，設(shè)計壓力4.0 MPa，外殼體為13MnNiMoNbR鋼，厚度60 mm；內(nèi)夾套上部為20R鋼材，厚度28 mm，下部為厚32 mm的15Cr MoR材質(zhì)。

投產(chǎn)一年后，全部魯奇爐內(nèi)夾套均遭到一定程度的腐蝕，需要根據(jù)內(nèi)夾套腐蝕部位和程度制定相應的修復方案。受限于氣化爐內(nèi)部的狹小空間，腐蝕修復施工工序繁瑣，交叉作業(yè)較多，修復施工難度較大[4-6]。

3.2 修復方案

該煤制氣項目中魯奇爐使用褐煤作為原料煤，褐煤中的硫、氯元素和堿金屬含量較高，煤灰中含有大量的硫酸鹽等物質(zhì)，氣化劑布氣不均勻，導致氣化爐內(nèi)夾套受到腐蝕。針對腐蝕穿孔的部位，更換Q245R材質(zhì)的基板，并在表面堆焊3～5 mm的inconel625鎳基合金；對于腐蝕變薄的部位，使用異種鋼焊條補焊到厚度超過22 mm，再對表面進行噴砂處理，最后對夾套區(qū)域堆焊3～5 mm的inconel625鎳基合金。

3.3 腐蝕修復施工技術(shù)的應用

第一，拆除附屬設(shè)備和爐篦。拆除影響施工的工藝管道，將拆除的管道編號后分類存放；清理設(shè)備內(nèi)殘渣，拆除煤鎖連接螺栓和法蘭螺栓，將煤鎖和煤溜槽吊至廠房外存放；氣體分析合格后施工人員佩戴防毒面具進入爐體內(nèi)部，使用磨光機去掉爐篦螺栓和螺母，將爐篦分體吊至廠房外存放。

第二，測量夾套厚度。使用超聲波測厚儀測量夾套厚度，對各測點的測量數(shù)據(jù)進行收集、整理，繪制厚度分布圖，確定夾套換板、補焊面積及厚度。

第三，換板。采取分塊拆除的方法，對夾套進行八等分并進行標記，如果上部與下部間焊縫無法辨識，可借助便攜式光譜儀確定焊縫位置并標記。在每塊夾套中心線焊接吊耳，用氣刨切割5 mm以上深度后，使用等離子切割機切割移除。拆除兩塊夾套后，組對一塊復合板，焊接定位護板，后續(xù)拆除一塊夾套后組對一塊復合板，并確保復合板組對平齊，焊縫錯邊在3 mm以內(nèi)。清除復合板坡口、母材表面的氧化物等雜質(zhì)，將復合板預熱超過80 ℃，按照先縱焊縫后環(huán)焊縫的順序沿著同一方向施焊，焊接后檢查焊縫，確保沒有裂紋、飛濺等缺陷。

第四，夾套補焊。夾套腐蝕主要是均勻凹坑，可以在每個凹坑中心處向周邊施焊，使用多層次補焊法逐漸擴大補焊面積。補焊前預熱到150 ℃以上，先用小電流、小面積補焊，再用正常電流補焊，避免補焊造成夾套變形、燒穿。重復補焊操作，使補焊后的夾套厚度達到22 mm，最后對夾套厚度進行測量以保證補焊施工質(zhì)量。

第五，換板焊縫熱處理。夾套焊縫保持同步熱處理，避免受熱不均產(chǎn)生局部應力。將磁鋼電加熱片貼合夾套，外部使用陶瓷纖維氈保溫，并采取必要的加固措施?？茖W設(shè)置智能控溫裝置，打開開關(guān)開始熱處理。在熱處理過程中，注意觀察熱電偶溫度，控制焊縫熱處理溫度保持同步。

第六，質(zhì)量檢測。對于夾套換板，應檢測焊縫確保沒有裂縫、飛濺、咬邊等問題，對焊縫兩側(cè)進行打磨，通過TOFD檢測達到Ⅰ級合格標準。夾套補焊后，對補焊部位表面進行質(zhì)量檢測，確保無焊瘤等缺陷，通過滲透檢測達到Ⅰ級合格標準。

第七，夾套噴砂處理。使用石英砂作為噴砂材料，對夾套換板外區(qū)域進行噴砂。在氣化爐內(nèi)搭設(shè)腳手架，由上到下進行噴砂，清理廢棄石英砂，確保噴砂后表面無鐵銹等雜質(zhì)，有均勻的金屬光澤。

第八，夾套堆焊。噴砂后進行夾套堆焊，采用MIG焊，每臺氣化爐使用5臺自動堆焊機。使用的焊絲需要清理表面油污、鐵銹，第一次堆焊使用小電流、短電弧，堆焊厚度2 mm左右。第二次堆焊用小電流多層多道焊，堆焊厚度在4 mm以上。堆焊后表面不得有裂紋等缺陷，通過滲透檢測達到Ⅰ級合格標準。

第九，夾套耐壓試驗。耐壓試驗水源使用消防水，試驗壓力0.19 MPa。達到設(shè)計壓力0.15 MPa后持續(xù)30 min，再升壓至0.17 MPa后持續(xù)10 min，最后升到0.19 MPa。試驗過程注意觀察夾套有無異響或鼓包等異常現(xiàn)象。

第十，附屬設(shè)備和爐篦回裝。根據(jù)爐篦序號層層回裝，按照煤鎖、煤溜槽、工藝管道的順序回裝附屬設(shè)備。

3.4 安全技術(shù)措施

魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕修復施工工藝復雜，在受限空間內(nèi)的交叉作業(yè)眾多，需要加強施工過程的安全防護工作。在爐內(nèi)施工之前，必須充分置換爐內(nèi)空氣，氣體分析合格后，方可在監(jiān)護人員在場情況下進行爐內(nèi)施工作業(yè)。

爐內(nèi)作業(yè)人員應戴好安全帽和防毒面具，高空作業(yè)應系掛安全帶，并配備工具袋用來攜帶施工工具和焊條頭等雜物。爐內(nèi)照明電壓不能超過36V，腳手架等金屬件有良好接地，電器配備漏電保護器。爐內(nèi)焊接作業(yè)時，應做好通風、透氣措施，待有害氣體消散后再開展后續(xù)施工[7-8]。

起重用工具、器械需要經(jīng)過全面檢查，嚴禁超負荷使用。同時，在施工過程中實行文明施工責任制，使爐內(nèi)保持清潔狀態(tài)，不得在爐內(nèi)出現(xiàn)亂拋工具等現(xiàn)象。

3.5 修復效果

該項目采用上述施工技術(shù)和措施進行修復后，運行試驗合格。正常運行一年后，檢查魯奇爐內(nèi)夾套情況，在堆焊層表面未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象和裂紋等缺陷，證明所采用的技術(shù)方案修復效果較為理想。

4 結(jié)語

綜上所述，魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕主要是原料煤含雜質(zhì)、內(nèi)夾套耐腐蝕性差等導致的化學和物理腐蝕，可以采用換板+補焊的修復方案。內(nèi)夾套腐蝕的修復面臨空間狹小、工序復雜等難題，需要結(jié)合煤質(zhì)分析確定適合的耐腐蝕材料和技術(shù)措施，并使用滲透、超聲等無損檢測技術(shù)進行修復施工質(zhì)量控制。

在修復施工過程中，使用自動堆焊機可提升堆焊效率，選用Inconel 625鎳基合金可以滿足修復質(zhì)量要求，尤其要注意嚴格控制補焊、堆焊質(zhì)量，并采取必要的安全防護措施。本文的經(jīng)驗可以供同類工程的腐蝕修復提供參考。在具體工程應用中還需要結(jié)合原料煤和魯奇爐結(jié)構(gòu)特點，提升施工技術(shù)的針對性和實效性。