劉建杰，艾志斌，陳高俊

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司壓力容器與管道技術(shù)基礎(chǔ)研究部，安徽合肥 230031）

1 氣化爐工藝簡(jiǎn)介

我國(guó)煤炭資源極其豐富，以煤為原料生產(chǎn)甲醇、二甲醚、油品、烯烴等大宗化學(xué)品較為普遍。其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是將煤炭潔凈、高效地轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H2），即煤的氣化技術(shù)[1]。目前國(guó)內(nèi)外知名的煤氣化技術(shù)主要有GE（原德士古Texaco）水煤漿氣化、殼牌（Shell）粉煤氣化、魯奇（Lurgi）煤氣化等，其中以GE水煤漿和Shell煤粉氣化工藝在國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛[2]。GE水煤漿氣化爐是一種以水煤漿為原料、氧氣為氣化劑的加壓氣化技術(shù)。水煤漿經(jīng)原料加壓泵加壓后與高壓氧通過(guò)氣化爐頂部的氣化燒嘴進(jìn)入氣化爐燃燒室（氣化反應(yīng)室），在表壓6.5 MPa、約1200℃條件下，水煤漿與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生產(chǎn)CO，H2，CO2，H2O和少量CH4，H2S，COS及微量的NH3，HCOOH等氣體。從燃燒室出來(lái)的粗合成氣通過(guò)激冷環(huán)時(shí)，與來(lái)自激冷水泵的激冷水混合后沿下降管旋轉(zhuǎn)下降進(jìn)入氣化爐激冷室完成粗合成氣的激冷洗滌，最終從粗合成氣出口出氣化爐，出激冷室的粗合成氣溫度約250℃[3]。

2 過(guò)燒事故

某煤化工企業(yè)的當(dāng)班外操巡檢發(fā)現(xiàn)一臺(tái)氣化爐6層保溫棉處冒氣并著火，立即緊急處置，中控緊急停爐并進(jìn)行快速泄壓，過(guò)燒部位經(jīng)24 h后自然冷卻至室溫。經(jīng)查看操作曲線，發(fā)現(xiàn)超溫時(shí)長(zhǎng)約10 h。事后調(diào)查認(rèn)為，氣化爐的下降管和上升管受到強(qiáng)大外力發(fā)生劇烈扭曲變形導(dǎo)致下降管較薄弱的位置破損，部分熾熱的粗合成氣從破裂處短路竄出，沒(méi)經(jīng)過(guò)激冷室池水的洗滌和冷卻，直接側(cè)噴到激冷室殼體導(dǎo)致殼體過(guò)燒和鼓包開(kāi)裂。事故現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 外壁照片

圖2 內(nèi)壁照片

3 材料劣化分析

為研究過(guò)燒導(dǎo)致的材料劣化程度，對(duì)過(guò)燒部位進(jìn)行理化檢驗(yàn)。氣化爐激冷室技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.1 外壁材料分析

SA387Gr11Cl2是一種低合金耐熱鋼，熱處理工藝對(duì)其最終微觀組織的影響見(jiàn)表2[4]。設(shè)備質(zhì)量證書(shū)標(biāo)明鋼板正常供貨狀態(tài)為940℃正火后水冷，再650℃回火，金相組織為鐵素體+貝氏體。選取激冷室殼體外壁過(guò)燒嚴(yán)重部位進(jìn)行金相分析，金相組織見(jiàn)圖3。同時(shí)選取未發(fā)生過(guò)燒的正常部位對(duì)比分析，金相組織見(jiàn)圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)未過(guò)燒部位金相組織為正常的鐵素體+貝氏體，硬度測(cè)試結(jié)果為（148～153）HB。過(guò)燒部位金相組織明顯異常，為 鐵素體+珠光體，且晶粒粗大，在晶界處萌生裂紋，硬度值明顯降低，為（95～115）HB，材料發(fā)生了嚴(yán)重劣化。該鋼材的AC3溫度為 891 ℃[4]，竄入激冷室的粗合成氣溫度約1200℃，超過(guò)了AC3溫度，使得過(guò)燒部位的鋼材奧氏體化，再加之過(guò)燒溫度長(zhǎng)10 h，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，強(qiáng)度下降，晶間結(jié)合力下降，產(chǎn)生裂紋。緊急停爐后緩冷，形成粗大的鐵素體+珠光體組織。

表1 氣化爐激冷室技術(shù)參數(shù)

表2 冷卻速率對(duì)微觀組織及硬度的影響

圖3 外壁過(guò)燒部位

圖4 外壁正常部位

3.2 內(nèi)壁材料分析

內(nèi)壁材料為309L+316L（堆焊），選取激冷室殼體內(nèi)壁過(guò)燒嚴(yán)重部位進(jìn)行金相分析，金相組織見(jiàn)圖5。同時(shí)選取未過(guò)燒的正常部位做對(duì)比分析，金相組織見(jiàn)圖6。發(fā)現(xiàn)未過(guò)燒部位的金相組織為正常的奧氏體+網(wǎng)狀δ鐵素體，硬度測(cè)試為（160～172）HB，δ鐵素體含量測(cè)試結(jié)果為4.3%～4.9%，符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求（3%～10%）。而過(guò)燒部位金相組織明顯異常，為奧氏體+少量點(diǎn)狀δ鐵素體，且晶粒粗大，在晶界處萌生裂紋，硬度值較正常部位偏低，為（130～148）HB，δ鐵素體含量明顯降低，為0.13%～0.81%，材料發(fā)生了嚴(yán)重劣化。在同樣的超溫過(guò)燒工況下，內(nèi)壁金屬晶粒長(zhǎng)大，晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，強(qiáng)度下降，晶間結(jié)合力下降，產(chǎn)生裂紋。同時(shí)在1200℃溫度下，堆焊層原有的δ鐵素體重新固溶進(jìn)奧氏體組織，導(dǎo)致δ鐵素體含量急劇下降，同時(shí)分布形態(tài)也由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀。

圖5 內(nèi)壁過(guò)燒部位

4 結(jié)論

（1）外壁過(guò)燒部位材料嚴(yán)重劣化，金相組織明顯異常，為鐵素體+珠光體，且晶粒粗大，在晶界處萌生裂紋，硬度值明顯降低。竄入激冷室的粗合成氣溫度超過(guò)了材料的 AC3溫度，使過(guò)燒部位的鋼材奧氏體化，再加之過(guò)燒時(shí)間長(zhǎng)使晶粒長(zhǎng)大，晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，強(qiáng)度下降，晶間結(jié)合力下降產(chǎn)生裂紋。緊急停爐后緩冷，形成了粗大的鐵素體+珠光體組織。

圖6 內(nèi)壁正常部位

（2）內(nèi)壁過(guò)燒部位材料發(fā)生嚴(yán)重劣化，金相組織明顯異常，為奧氏體+少量點(diǎn)狀δ鐵素體，且晶粒粗大，在晶界處萌生裂紋，硬度值與δ鐵素體含量也明顯降低。同樣的超溫過(guò)燒工況下，使內(nèi)壁金屬晶粒長(zhǎng)大，晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，強(qiáng)度下降，晶間結(jié)合力下降產(chǎn)生裂紋。同時(shí)堆焊層原有δ鐵素體重新固溶進(jìn)奧氏體組織，導(dǎo)致δ鐵素體含量急劇下降，分布形態(tài)也由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀。