煤气化变换系统蒸汽过热器列管失效分析及防范措施

杨俊旭 李娟 刘卫

摘要：煤化工企业主要会借助能谱实验、扫描电镜图、化学分析实验、金相组织实验对甲醇联合装置系统中的蒸汽过热器进行分析，找寻具体的列管失效原因，使得煤气化变换系统能够稳定运转。本文将对煤气化变换工艺流程进行概述，分析列管失效原因，探究具体的防范措施。

关键词：列管;蒸汽过热器;煤气化

引言：煤气化生产装置在运行过程中容易出现蒸汽过热器列管失效、泄漏问题。煤化工企业需要认真分析列管的质量问题，判定失效原因，制定针对性的防范措施。基于此，对于煤气化变换系统蒸汽过热器列管失效分析及防范措施的探究有着重要意义。一、工艺流程

工艺流程为粗煤气由气化装置产生经过气液分离器，将粗煤气中的水分分离后，粗煤气的一部分会进入预热器管程;在粗煤气与变换器反应升温至305℃后，该部分粗煤气进入变换炉中;煤气与水蒸汽气在耐硫催化剂条件下进行变换反应，反应后的高温气体从变换炉进入到预热器中，与粗煤气进行换热，换热后的温度可达到380℃;该部分气体在换热后经过蒸汽过热器，将升温换热至260℃的气体送入蒸汽管道，降低温度为240℃;该部分气体会混合部分粗煤气，方便后续的脱氨作业与热量回收作业。简单而言，粗煤气经过气液分离器，部分成为凝液，部分进入蒸汽过热器、原料气预热器、变换炉进行变换反应。锅炉水会经过蒸汽发生器、蒸汽过热器后进入相应等级的蒸汽管网。    设计人员在设置变换系统时，通常将u形管换热器作为蒸汽过热器，使用25mm×2mm规格的材质制作换热器，使用1mpa压力的蒸汽为壳程介质，使用5.8mpa压力的蒸气为管程介质，变换器的温度设置为384℃。蒸汽过热器管城的具体换气成分表为：一氧化碳占总成分的5.9955%，氢气占总成分的52.7881%，二氧化碳占总成分的40.2723%，氮气占总成分的0.28%，硫化氢占总成分的0.4623%，氨气占总成分的0.03%。

二、煤气化变换系统蒸汽过热器列管失效分析

（一）金相组织

技术人员将列管从蒸汽过热器中抽出，能够发现列管表层出现开裂现象且伴随着诸多腐蚀坑印。为详细探究列管失效原因，需要使用能谱分析、化学分析、金相组织分析、扫描电镜分析等技术手段分析列管。金相组织分析手段借助定量金相学原理，通过金相显微组织对合金组织进行计算、测量，分析三维空间形貌（金相显微组织主要为二项金相试样的薄膜或膜面），进而研究分析列管金属的内部结构，判定具体的内部缺陷，分析失效原因。金相组织实验能够发现列管存在未腐蚀的试样横裂纹、腐蚀的试样横裂纹、未腐蚀的试样纵裂纹、腐蚀的试样纵裂纹四种情况。基于此，能够发现列管出现了诸多垂直裂纹，由外壁扩展至内壁，裂纹的特点为能贯穿整个试管的内壁、外壁且分支数量较少，容易造成泄漏问题。通过细致的观察能够发现，列管的裂纹多出现在被腐蚀的点蚀处以及外部缺陷处，少量的裂纹出现在列管内部，主要的三维空间形貌为穿晶形貌，细致观察各类裂纹的走向、形态，能够发现其开裂特点为应力腐蚀。

（二）化学分析

技术人员通常采用S32168型号的材料作为整体过热系列管材质，为进一步对列管材质的质量进行验证，需要使用化学分析手段，借助直读光谱仪分析列管试样。具体的分析结果为：Ti元素的分析结果为0.035，Mn的分析结果为1.003，Si的分析结果为0.434，P的分析结果为0.043，S的分析结果为0.0016，Cr的分析结果为17.23，Ni的分析结果为9.012，Y的分析结果为0.274。

（三）能谱实验

为全面细致地观察列管的裂纹走向、裂纹形态、腐蚀点坑，对腐蚀点坑、列管裂纹的成因进行分析，需要借助能谱实验与扫描电镜实验。通过对列管试样开展能谱分析与扫描电镜分析，可以发现其实主要包含了点蚀坑低倍形貌、点蚀坑内部形貌、管体外壁微裂纹贯穿点蚀坑、点蚀坑贯穿裂纹形貌四种类型。大量点蚀坑附着在换热管外壁，分布状况为沿管体轴向分布，未能对管体管壁进行贯穿的微裂纹分布在点蚀坑周围，并附着在管体外壁。该部分微裂纹贯穿管壁的点蚀坑，并沿管体轴向分布^[1]。通过对裂纹进行观察能够发现，附着在管体外壁的大部分点蚀坑生成了部分裂纹，而这部分裂纹扩展至管体内壁，进而导致列管出现泄漏失效问题，而脆性断裂为列管断裂的主要形式。Ni、Cr、Ti、CL、S、Si、O是列管裂纹腐蚀产物的主要元素。通过大量分析实验可以发现，大量点蚀坑附着在换热器列管表层，绝大多数的点蚀坑的源头为腐蚀应力裂纹。作为危险性较大、隐蔽性较强的应力局部腐蚀点蚀能够导致不锈钢设备出现穿孔，而氯离子是引发不锈钢设备失效的主要原因。能谱分析手段能够有效发现换热器列管的氯元素，与此同时，低压蒸汽作为蒸汽过热器的主要介质，能够帮助氯离子充分进入换气系统。    腐蝕与应力共同作用在列管表层会导致列管出现应力腐蚀开裂，进而导致列管出现泄漏、失效问题。在5.08mpa、384℃的条件下，使用蒸汽过热器，很可能导致设备失效。将奥氏体不锈钢作为列管的主要材料，也会使得氯离子引发点蚀坑，导致未贯穿列管管体管壁的微裂纹出现在点蚀坑周围，并沿着列管管体轴向分布。由于应力集中效应，微裂纹在环向应力与高温条件下，很可能导致列管出现腐蚀应力开裂，进而导致蒸汽过热器出现故障、换热管失效^[2]。

三、煤气化变换系统蒸汽过热器列管失效防范措施

依照煤气化变换系统的工艺条件、工艺流程，选取适合的设备类型，科学合理地选用换热器材质。例如，在浓缩锅炉、水、氯化物、水溶液、高温碱液等介质条件下，奥氏体不锈钢容易出现腐蚀应力开裂问题;因此，技术人员在选用材质时，应尽可能地避免在上述环境下条件下，选用奥氏体不锈钢作为换热器材质。煤气的水蒸气在进行变换反应后，高温气体从变换炉进入到预热器中与粗煤气进行换热;该部分气体在换热后经过蒸汽过热器，送入蒸汽管道。基于此，在加工设备时，技术人员应优先使用退火手段对加工成型后的设备进行处理，消除设备应力。通常情况下，在1100℃条件下，技术人员需要对使用奥氏体不锈钢作为换热器材质的设备进行固溶处理或开展喷丸处理作业，确保奥氏体不锈钢的表层能够出现压应力，进而降低设备表层出现应力腐蚀现象的概率。

技术人员在设置工艺设备时，通常将奥氏体不锈钢作为换热设备、蒸汽过热器及变换系统、其他器材的主要原材料。技术人员需要严格控制换气系统运转期间的各项工艺指标，尤其是要确认氯离子质量分数，确保锅炉水中的相关指标小于30mg/l，避免氯离子浓度过大对奥氏体不锈钢进行腐蚀，导致其出现腐蚀应力开裂问题^[3]。技术人员应严格按照规定及作业标准排除蒸汽发生器内的污水，保障变换系统始终处于稳定运转状态，确保系统各运转设备内部的离子含量始终处于合理范围，避免系统内累积大量的氯离子，有效控制氯离子的质量分数，保持离子含量稳定。在变换系统停止运行后，技术人员应使用设备吹出换热器内的流体，使用氮气对设备进行保护，避免杂质沉淀在列管表层。与此同时，在系统设备的试压过程阶段，技术人员应严格控制试压用水，避免氯离子大量进入换气设备、换热系统，导致设备出现腐蚀问题。

结论：综上所述，上文叙述煤气化变换工艺的具体流程，通过金相组织实验、化学分析实验、能谱实验、扫描电镜图能够分析出蒸汽过热器列管的失效原因。通过科学合理地选用设备类型，换热器材质，对设备进行加工处理，严控氯离子质量分数，严格排污措施，严格控制试压用水能够有效防范列管失效。

参考文献：

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[2]陈莉.粉煤废锅型气化配套变换粗煤气预热器腐蚀原因分析[J].石油化工设备技术，2020，41（2）：29-34.

[3]山石泉，周志军.褐煤在N2及CO2气氛下的热解与富氧燃烧特性[J].浙江大学学报（工学版），2019，53（9）：1826-1834.