气化炉工艺烧嘴的延寿创新研究

马文辉，赵 恒

（1.神华包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014000；2.北京航天动力研究所，北京 100176）

水煤浆气化工艺烧嘴是水煤浆加压气化工艺的心脏，工艺烧嘴性能直接影响气化炉的长周期安全稳定运行及气化工艺的产品品质。本文以国内某煤制烯烃项目气化装置为研究对象，针对影响工艺烧嘴寿命的失效原因进行了分析，根据分析结果并结合实际运行情况，对烧嘴进行了创新改造。其中，着重对钴基合金与镍基合金的异种材料焊接工艺进行了分析研究，根据研究结果改进了工艺烧嘴的焊接工艺。创新成果经在线运行验证，效果极其明显。

1 工艺烧嘴失效分析

制约工艺烧嘴使用寿命的主要因素集中在烧嘴头部的寿命。其损坏的形式主要集中为三类：外喷头的龟裂、中喷头的磨损、外喷头与盘管焊缝裂纹[1]。

1.1 外喷头端面龟裂

外喷头常见的损坏形式是外喷头端面出现径向放射性裂纹及不规则裂纹，主要原因为：

（1）热冲击影响：由于外喷头的端面向着炉内高温工艺气体，一般为1200℃～1500℃，金属材料在这样的高温条件下长期工作，并受到高速煤浆、氧及回流工艺气的冲刷，冶炼和锻造过程中的所有缺陷均会逐渐暴露出来，形成不规则龟裂。

（2）化学影响：由于外喷头处的氧气浓度较高，金属材料在高温环境中会发生氧化反应。高温情况下，金属材料也会发生一定的渗碳，使金属材料的成分和性能发生变化。另外，煤中的硫，也会使金属表面发生高温硫化腐蚀。

1.2 中喷头的物理磨损

中喷头的物理磨损是影响水煤浆气化炉和整套工艺连续运行的主要因素之一。为了使水煤浆中的煤粉在气化炉中充分气化，必须用一定量的氧气对水煤浆进行雾化，为达到良好的雾化效果，气体流速须达到一定值。也就是说，预混合腔内的混合物（水煤浆、氧气）流速须达到一定值。由于混合物中含有大量的煤粉固体颗粒，造成中喷头内腔磨损严重。

1.3 外喷头与盘管焊缝裂纹

冷却盘管的损坏主要集中在盘管与外烧嘴焊接焊缝处出现裂纹。外喷头为钴基合金，而冷却水盘管为镍基合金，即异种钢之间的焊接，难度极大，因而镍基合金与钴基合金之间的异种钢焊接成为影响工艺烧嘴质量的重要因素之一。

2 工艺烧嘴创新改造措施

针对工艺烧嘴的失效形式及原因分析，对工艺烧嘴进行了创新改造。

2.1 强化外喷头冷却换热

针对外喷头热裂情况，分析头部冷却换热情况。利用CFD数值模拟技术对冷却水腔进行了数值分析[2]。

将冷却水入口处设为速度进口条件，出口采用压力出口边界条件，外壁面设定为定热流边界条件。

通过头部水腔速度矢量计算结果可以看出冷却水在尖角处速度远低于腔内平均流速，甚至形成速度“空洞”，达不到冲刷冷却外喷头端面的目的，且此处紧贴外喷头，冷却水极易气化，从而进一步堵塞尖角处的冷却水，外喷头端面的热量无法及时被冷却水带走，在长时间的高温作用下，尖角材料最容易发生金相失效，从而产生热裂纹。以上表明，原进口工艺烧嘴设计尺寸及头部冷却水腔结构不合理。

经重新设计改造头部水腔结构后，外喷头龟裂显著减轻。

2.2 提高中喷头耐磨度

中喷头的失效主要原因为中喷头受到高速煤浆冲刷，导致的物理磨损。根据工艺烧嘴的开车工艺及工作环境，利用耐磨材料对中喷头进行了耐磨损处理，经实际运行后发现，经耐磨处理后的中喷头运行一周期后几乎无磨损，在耐磨喷头可连续使用数个周期。

2.3 优化外喷头与盘管焊接工艺

外喷头与盘管焊接涉及到镍基合金与钴基合金的焊接，即异种钢之间的焊接，难度极大。迄今，国内外尚缺少二者焊接工艺的相关标准规范，各厂家均凭借相关经验进行焊接，但在使用过程中不同程度的出现了一些问题。

表1 常用材料的化学成分

2.3.1 钴基/镍基焊接的数值分析

（1）焊接工艺：研究的Inconel600合金和UMCo50合金以及Co50、ERNiCr-3焊丝化学成分表1。

焊接采用手工钨极氩弧焊，Inconel600合金同材料焊接时通常选用ERNiCr-3焊丝，Inconel600与Co50两种不同材料焊接时通常选用Co50焊丝，焊丝规格均为φ2.4mm。

（2）有限元模型：模型为Inconel600管材及Co50管材，规格为φ42.2×3.56mm，长100mm，为管状对接焊型式，V型坡口，坡口角度为60°，钝边0.6mm，采用钨极氩弧焊，坡口填充物为ERNiCr-3焊丝，焊接参数为：直流80A，电压24V，平均焊接速度3mm/s。电弧视为高斯分布的三维热流，沿x轴运动给定对流换热边界条件[3]。

式中：q0为加热源中心最大比热流，U为电弧电压，I为电流，v为焊接速度，R为管材半径，r为点（x,y,z）到电弧中心的距离，G为电弧热效率，rb为选取的电弧有效加热半径。给定对流换热边界条件。

（3）温度场及应力场结果及分析：镍基/钴基异种钢焊接温度场沿焊缝中心线轴不对称，分析其原因在于Inconel600和Co50合金的导热性能有一定差异，因此需要减小焊接电流及焊接速度，给温度传导提供一定时间，从而促进温度场的均匀分布。

据动态温度模拟结果，进行应力耦合分析，忽略应力场对温度场的作用。应力残余主要集中在离开焊缝中心一定距离的热影响区，峰值集中在热影响区与母材过渡部位。

综上，模拟计算结果与Inconel600与Co50合金在实际使用中焊接焊缝开裂的趋势基本一致，原因和焊接电流和焊接速度过大有关，因此，为了加强镍基/钴基异种合金的焊接质量，需要在镍基合金的焊接上进行工艺改进。

2.3.2 钴基/镍基焊接的试验分析

（1）焊缝失效金相分析：在工艺烧嘴的使用过程中，焊缝损坏部位主要发生在盘管（Inconel600）与盘管焊缝、盘管与短接管（Co50）焊缝，且裂损部位均发生在过渡区即焊缝热影响区的INCONEL合金侧，开裂情况基本一致。其中，盘管和短接管规格均为φ42.2x3.56mm，Inconel600管焊丝选用ERNiCr-3，Inconel600与Co50管 焊 丝 选 用Co50，规 格 均 为φ2.4mm，Inconel600盘管为多次重新焊接使用后的旧件。

对Inconel600与Co50管焊缝、Inconel600管焊缝部位线切割取样，然后进行金相组织分析（X100），实验设备为Leica图像分析仪，金相腐蚀剂选用钴基合金和镍基合金的标准腐蚀剂：Co50合金为盐酸+双氧水，Inconel600合金为硫酸铜+盐酸+乙醇。

对Inconel600管焊缝处的金相观察可见，Inconel600管焊缝处组织仍较为致密，Inconel600管材未见晶粒长大现象，在接近焊缝过渡区部位有裂纹出现。并在焊接区域出现一定数量的杂质，分析认为施焊的Inconel600管材经多次焊接后，母材接近焊接区域的材质也发生了成分变化，导致焊接质量下降。

金相观察可见Inconel600与Co50两种材料焊缝处裂纹主要起始于焊接区域的铸态组织里，沿着粗大的树枝晶晶界发生延展，热影响区的Inconel600侧边缘晶粒粒度变大，而Co50侧边缘、Inconel600和Co50母材的晶粒粒度较为均匀。

综上，对钴基/镍基异种钢焊接时，在焊丝材料选择上需进行重新考虑，以匹配焊接性能较差的镍基合金的焊丝材料，并且必须选用质量稳定合格的焊丝，焊接时需将热影响区彻底清除后方可进行施焊。

（2）焊缝理化检测分析：据以上分析，主要对钴基/镍基异种钢的焊接选用不同焊丝进行了理化试验检测。

共制作试验件6件，编号分别为1、2、3、4、5、6。6件均由同一焊接技师在相同工艺条件下焊接而成，经RT检测后，焊缝质量均为Ⅰ级合格。最终，由检验人员随机选定3、4号进行拉伸试验对比分析，5、6号进行弯曲试验对比分析。

拉伸及弯曲试验数据见表2、表3。

表2 拉伸试验测试数据表

表3 弯曲试验结果

通过拉伸和弯曲试验结果表面明，采用ERNiCr-3焊丝的试件抗拉性能和抗弯曲性能均优于采用Co50焊丝的试件。因此，在后续的焊接中应改用性能更适合镍基合金的镍基材料焊丝，以保证焊接质量，减缓裂纹产生的时间。

2.3.3 工艺改进

经过数值分析及试验分析后，表明目前钴基/镍基合金的焊接工艺存在不合理之处。其中，焊丝的选取应尽量选择匹配镍基合金的材料。同时，为加强焊接区域温度场和应力场的均匀，应减小焊接电流和焊接速度，同时须保证管壁完全焊透。

鉴于此，本文在焊接工艺方面进行了改进。经新焊接工艺施焊后的工艺烧嘴上炉使用后未出现外喷头与盘管开裂现象。

3 结论

本文分析研究了影响气化炉长周期运行的工艺烧嘴的失效因素，根据分析结果对工艺烧嘴进行了创新改造；利用有限元分析，模拟了镍基/钴基异种钢焊接的温度场和应力场，并根据实际使用效果对焊丝的选择进行了金相和理化分析，根据分析结果对当前钴基/镍基焊接工艺进行了改进。

经过对工艺烧嘴失效原因分析后，对工艺烧嘴外喷头水腔结构改进设计、对中喷头进行耐磨技术处理、对外喷头与盘管异种钢采取新焊接工艺施焊，创新改造后的烧嘴上炉进行实际运行验证，取得了良好的效果。改进后工艺烧嘴平均单周期连续运行达90天以上，最长超过100天。