㊀２０２１年
㊀第３期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０２１㊀Ｎｏ ３㊀
收稿日期：２０２１－０２－２４
陈高俊，王芳芳，张保中
（合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，安徽合肥㊀２３００３１）
㊀㊀摘要：文中介绍了Ｔｅｘａｃｏ型气化炉工作原理及结构，分析了气化炉存在的３类失效风险及其失效初期的损伤机理，并从设计㊁使用㊁检测方面介绍了失效风险的预防措施㊂采用针对性的预防措施和检测方法，精准发现潜在损伤并及时处理，可降低气化炉失效的可能性㊂ 关键词：气化炉；高温氢损伤（ＨＴＨＡ）；过热；断裂失效；形变失效
中图分类号：ＴＥ８８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０２１）０３－００４６－０３
汽化炉
ＳｔｕｄｙＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆＧａｓｉｆｉｅｒＦａｉｌｕｒｅ
ＣＨＥＮＧａｏ⁃ｊｕｎ，ＷＡＮＧＦａｎｇ⁃ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧＢａｏ⁃ｚｈｏｎｇ
（ＨｅｆｅｉＧｅｎｅｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＳｔａｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴｅｘａｃｏｔｙｐｅｇａｓｉｆｉｅｒｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｒｉｓｋｓａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｆａｉｌｕｒｅｓｔａｇｅｏｆｔｈｅｇａｓｉｆｉｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｒｉｓｋｓｗｅｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄｆｒｏｍａｓｐｅｃｔｓｏｆｄｅｓｉｇｎ，ｕｓｅａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔａｒｇｅｔｅｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｄａｍａｇｅｃｏｕｌｄｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｏｕｎｄａｎｄｔｒｅａｔｅｄｉｎｔｉｍｅ，ｓｏａｓｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｆａｉｌｕｒｅｏｆｇａｓｉｆｉｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓｉｆｉｅｒ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｔａｃｋ（ＨＴＨＡ）；ｏｖｅｒｈｅａｔｉｎｇ；ｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉ
ｏｎｆａｉｌｕｒｅ
０㊀引言
以煤清洁技术为代表的煤化工产业成为能源行业中的重要组成部分㊂煤气化技术向原料多样化㊁工作条件高温高压化发展㊂国内已投产多套气流床气化技术型煤化工装置㊂作为此装置核心设备的气化炉，由于原材料的不同，又可以划分为以水煤浆为原料的Ｔｅｘａｃｏ型气化炉（例如中天合创煤化工项目）和以干煤粉为原料的ｓｈｅｌｌ型气化炉（例如：华能绿煤电天津ＩＧＣＣ电站［１］）㊂开展该型气化炉失效模式的
研究与预防，及时排查其存在的各类安全风险，有助于保障煤化工的安全生产㊂文献［２－８］对气化炉失效案例进行了研究分析，大多都侧重于气化炉失效后对外部材质的影响及其维修㊂本文主要研究气化炉的失效机理，并针对性地提出了预防措施和检测方法，有助于提高气化炉的运行安全㊂ １㊀气化炉参数及原理
本文研究了Ｔｅｘａｃｏ型气化炉各部位失效机理㊂Ｔｅｘａｃｏ型气化炉相关参数见表１㊂
表１㊀Ｔｅｘａｃｏ气化炉相关参数
操作温度
／ħ
设计温度
／ħ
操作／设计
压力／ＭＰａ
介质材质
燃烧室
１４５０／４２７
（壳体）４５５（壳体）６．５／７．１５粗合成气
激冷室２５５２８８６．５／７．１５粗合成气／渣水
筒体和封头：１．２５Ｃｒ⁃０．５Ｍｏ
内构件：３１６Ｌ
堆焊层：３１６Ｌ（３０９过度）㊀㊀该类型气化炉的工艺是高压氧和水煤浆经喷嘴混合㊁雾化，由燃烧室顶部进入气化炉进行部分氧化反应，生成高温合成气（ＣＯ㊁Ｈ２㊁ＣＯ２）㊂高温合成气携带着碳和熔渣，经燃烧室底部激冷环进入下降筒，进入激冷室液相空间（激冷水中）㊂合成气经过水洗冷却进入激冷室气相空间，随后抽出㊂
２㊀气化炉失效研究
气化炉存在的失效风险主要存在以下４个方面：喷嘴断裂失效；燃烧室壳体断裂失效和形变失效；关键内构件的形变失效和断裂失效；激冷室内堆焊层腐蚀失效和断裂失效㊂苏毅［６］㊁胡庆斌［７］等对气化炉喷嘴在恶劣环境下工作所遇的失效模式以及如何预防
㊀㊀㊀㊀㊀第３期陈高俊等：气化炉失效机理研究及预防４７㊀㊀
进行了研究㊂本文研究的重点在于其他３个方面㊂２．１㊀燃烧室壳体断裂失效和形变失效
气化炉是典型的高温高压设备，其反应温度达１４５０ħ，大部分常规材料在这个温度上承压能力急剧下降㊂同时它又是一个临氢条件，使得设备存在高温氢损伤（ＨＴＨＡ）的风险㊂基于ＡＰＩＲＰ９４１ ２０１６中关于０．５Ｍｏ钢的规定，燃烧室内部较低氢分压和高温度条件，也会使得外部壳体
存在ＨＴＨＡ风险㊂当耐火材料退化或存在合成气体旁路至外部壳体，外部材质将会由于高温及串进来的氢分压共同作用，ＨＴＨＡ的风险将会显著提高，ＨＴＨＡ在此表现形式为表面脱碳㊂此外１．２５Ｃｒ⁃０．５Ｍｏ钢长期在４２７ħ温度下工作，材质存在着石墨化的风险㊂加上可能存在局部耐火砖失效，则其外壳表面温度将会更高，会伴随着出现高温蠕变㊁过热等㊂
上述潜在风险都是高温高压条件运行一定时间条件下才可能使壳体萌生裂纹，最终会引起材质的断裂失效，应加强预防性检测㊂由于燃烧室存在Ｃ＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２转变成ＣＯ＋Ｈ２＋ＣＯ２的放热反应过程，期间会引起压力和温度的变化，燃烧室也存在超温超压的潜在风险，会引起壳体的形变失效㊂
２．２㊀关键内构件的形变失效和断裂失效
本文研究的关键内构件主要是下降筒和激冷环㊂在对某企业多台气化炉进行调查研究发现多台气化炉下降筒存在一定程度上轻微形变，严重的会造成断裂失效和严重的形变（如图１所示）㊂这主要是由于下降筒在设计上，是作为非承压内构件，而在开停车的瞬间，激冷水将下降筒密封成受压空间，会在下降筒内外形成较大的压力差㊂在对事故案例进行调查研究发现，激冷环未有效降低合成气温度加上频繁的强制开停车，使得下降筒严重形变㊂最终导致与激冷环相连的第一道焊口断裂，高温合成气直接窜入激冷室，造成了激冷室椎段过热过载，引起壳体的严重形变和开裂㊂下降筒直接与带有碳颗粒的高温合成气接触，使得其面临着高温蠕变㊁渗碳㊁磨损的损伤风险㊂下降筒部分筒体在激冷水中，
筒体具有明显的温差分布，其也可能面临着热疲劳损伤㊂这些损伤都会引起材料性能的降低，进一步降低了下降筒的抗压能力㊂
２．３㊀激冷室内堆焊层腐蚀失效和断裂失效
合成气在经过水洗后，
会将合成气中所携带的熔
图１㊀下降筒内部形变
渣㊁煤㊁少量ＣＯ２㊁部分硫化物等洗去，使高温水酸性提高㊂同时激冷水中可能含有Ｃｌ㊁Ｓ等离子，且激冷室气相空间的酸性气体环境，是Ｈ２Ｓ＋ＣＯ＋ＣＯ２＋Ｈ２等多种气体混合空间㊂酸性气和酸性水的共同作用下，可能会引起在水气分割液面附近局部堆焊层的点蚀及应力腐蚀开裂㊂堆焊层的点蚀可能是由于在气液交界处液位剧烈波动，在酸性环境刺激下引起的材料表面局部接触疲劳而导致的㊂应力腐蚀开裂主要是由Ｃｌ㊁Ｓ等离子，在酸性环境下对不锈钢的侵蚀而造成的㊂此外，激冷室的氢环境及高于２０４ħ的温度，不锈钢堆焊层虽有效避免了ＨＴＨＡ的表面脱碳，但依旧存在内部脱碳的风险，主要表现为堆焊层层间剥离或层间裂纹㊂上述损伤都可能造成激冷室的腐蚀失效和断裂失效㊂
３㊀气化炉失效检测及预防
对气化炉失效预防，主要是通过对各类潜在的隐患进行研究，针对性提出检测方案并及时发现和排除隐患，或者尽量在设计上进行优化㊂
针对顶部喷嘴存在较高的损坏风险，通常采用壁厚检测和渗透检测的方法对其进行定期检测，必要时
增加金相检测，判断其损伤状态㊂喷嘴在设计上也可以做一点改进，使用更高强度的高温合金，或者在喷嘴内外部增加隔热材料层来降低温度对材料的影响㊂对于燃烧室壳体断裂失效和形变失效的预防，关注耐火砖的磨损或者损坏的同时，还应关注ＨＴＨＡ和超温超压损伤㊂因此应在日常工作中加强对燃烧室的外部温度监测，主要通过红外热成像技术或者通过密布热电阻等方法来实现在线监测㊂在停工检修时应对壳体的损伤情况进行抽查，尤其是应力集中部位和温度异常部位，主要采用表面检测和超声检测的方
㊀㊀㊀㊀㊀４８㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｙ ２０２１㊀
式实现㊂有条件的可对主焊缝采用ＴＯＦＤ技术进行检测，并保存成像文件方便日后检测时进行对比观察㊂燃烧室外壁也存在材质劣化的倾向，应对其主焊缝和母材进行金相检测㊂同时还应在停工检修时对其内部耐火砖受损的情况进行检查，及时制订更换方案㊂建议在更换耐火砖时，有必要对其壳体内壁进行金相检测，使用扫描电镜查看材质表面脱碳情况㊂同时对存在应力集中的焊缝部位增加超声检测和表面检测㊂当在运行过程中发现局部区域存在温度异常，无法立即停车时，可以通过在线超声检测㊁壁厚监测等技术来实施监测㊂ＨＴＨＡ的腐蚀期可能存在超声测厚增厚现象，过热形变过程的壁厚减薄，ＨＴＨＡ以裂纹形式表现，都可以通过超声检测的方式来进行初步判断㊂根据关键内构件的形变失效和断裂失效原因分析结果，应对下降筒与激冷环相连的第一道焊口进行超声检测㊁表面检
测和下降筒厚度的抽查㊂必要时可以考虑选取部位进行金相检测，查看材质的渗碳㊁蠕变㊁热疲劳情况㊂设计上也考虑在筒体中间部位增加限位连接来增强抗形变能力㊂或者考虑在下降筒内衬类似龟甲网的结构加耐高温材料来隔离高温的同时抵抗形变和冲刷，可以有效抵抗下降筒第一道焊口失效㊂此外在开停车时，应当严格按照操作工艺，缓慢升降压力和温度，避免急开急停㊂
对于激冷室内堆焊层腐蚀失效和断裂失效的预防，在检测时应分别在液位线附近㊁激冷室上方和激冷室下方，选取东南西北４个方向各一个区域及所有接管，进行表面检测和超声检测抽查㊂同时还应对激冷室外壁的焊缝及母材进行超声和表面检测的抽查㊂根据本文的研究结果，已在多台气化炉激冷室堆焊层发现开裂（如图２所示）和局部点蚀的情况（如图３所示）㊂通过对开裂部位进行金相检测发现裂纹主要是沿晶开裂为主，末端较细，分叉较多，具有应力腐蚀开裂的特征㊂此外声发射检测也可以用来了解激冷室的损伤情况㊂对激冷室堆焊层的失效预防，应在源头上控制水煤浆中Ｓ㊁Ｐ含量和激冷水中Ｃｌ㊁Ｓ等离子含量，同时关注反应时产生的ＣＯ２㊁硫化物等含量对激冷
水的酸碱性的影响以及激冷水的水位和温度㊂
４㊀结束语
本文对气化炉存在的３类失效机理进行了分析
，
图２㊀
激冷室堆焊层应力腐蚀开裂
图３㊀激冷室堆焊层局部点蚀
还对预防各类失效提出了针对性的检测方法，并提出部分失效可以通过设计的改进来预防㊂同时还通过提出的检测方法，在实际检验案例中发现了损伤案例㊂气化炉除本文介绍的４个方面失效风险外，还存在外部地脚螺栓腐蚀㊁支座疲劳开裂等㊂对气化炉进行失效预防检测时，应根据现场情况及时调整检测方法，有效保障设备安全运行㊂
参考文献：
［１］㊀王晓．气化炉筒体破裂失效原因分析及安全评定［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１３．
［２］㊀刘建杰，艾志斌，陈高俊．气化炉过烧部位材料劣化分析［Ｊ］．设备管理与维修，２０１９（７）：１８９－１９０．［３］㊀刘汉勇，李东，尹高磊．气化炉失效炉体修理方案［Ｊ］．大氮肥，２０１１（５）：３２４－３２６．
［４］㊀李聿营．Ｔｅｘａｃｏ煤气化炉激冷环失效原因分析及对策［Ｊ］．煤化工，２０１４（１）：３９－４２．
［５］㊀李剑晖．德士古气化炉耐火砖损耗分析以及延长寿命的相应对策［Ｊ］．小氮肥，２０１４（７）：１９－２１．
［６］㊀苏毅，姚敏，赵子通，等．气化炉烧嘴烧损的失效分析及延长使用寿命建议［Ｊ］．煤化工，
２０１８（２）：３９－４２．［７］㊀胡庆斌．ＳＣＧＰ气化炉烧嘴侧面裂纹分析和优化建议［Ｊ］．煤化工，２０１３（６）：２９－３０；５６．
［８］㊀周夏，高淑萍．灰水系统管道阀门损毁原因分析与对策［Ｊ］．管道技术与设备，２００６（３）：２２－２４．
作者简介：陈高俊（１９９１ ），助理工程师，主要从事承压设备运行安全研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：８２６４５９１１４＠ｑｑ．ｃｏｍ
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