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(guò)程中容易面臨不同程度的腐蝕問(wèn)題，內(nèi)夾套受高溫高壓煤炭腐蝕程度嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(yùn)行，必須研究腐蝕修復(fù)施工技術(shù)與方法，有效解決魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕問(wèn)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(fù)雜，但大體上保持一致。首先是煤炭的燃燒來(lái)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(duì)煤炭燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)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(qiáng)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(guò)程中爐內(nèi)處于高溫、高壓狀態(tài)，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性和安全性要求很高，需要確保工藝的精準(zhǔn)度，并做好安全防護(hù)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(jìn)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(guò)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(dān)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(mén)、煤槽等輔助設(shè)備來(lái)保證魯奇加壓氣化工藝的順利實(shí)現(xiàn)。其中閥門(mén)可以控制煤氣的生產(chǎn)和收集，煤槽便于原料煤進(jìn)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(jī)理及修復(fù)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(jī)理，有助于針對(duì)性制定氣化爐內(nèi)夾套腐蝕的修復(fù)方案，有效解決內(nèi)夾套腐蝕問(wèn)題，維持魯奇爐的正常運(yùn)行[2]。

2.1 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕機(jī)理

在煤制氣化工生產(chǎn)過(guò)程中，魯奇爐的運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，高溫高壓環(huán)境下的原料煤會(huì)生成具有腐蝕性的氣體，對(duì)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(xué)與物理腐蝕共同作用的結(jié)果，通常初期主要是化學(xué)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(xué)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(guò)程中通過(guò)金屬氯化物的形式散發(fā)，再與水蒸氣等物質(zhì)反應(yīng)生成鹽酸。高溫環(huán)境下的鹽酸可以對(duì)爐體鐵基鋼材產(chǎn)生化學(xué)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(huì)在內(nèi)夾套內(nèi)壁金屬表面形成熔鹽層，破壞表面的保護(hù)性氧化物。

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

第四，隨著化學(xué)腐蝕的加深，氣化爐爐內(nèi)產(chǎn)生的氣流流動(dòng)會(huì)對(duì)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(jìn)程。

2.2 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕的修復(fù)方案

對(duì)于魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕問(wèn)題，需要針對(duì)引起內(nèi)夾套腐蝕的化學(xué)和物理原因，采取有效的工程技術(shù)手段來(lái)提升內(nèi)夾套的抗腐蝕能力。

化學(xué)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(fù)方案可以從兩個(gè)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(qiáng)抵抗化學(xué)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(duì)內(nèi)夾套的化學(xué)腐蝕。為了尋找適合的耐腐蝕材料，可以在氣化爐內(nèi)進(jìn)行掛片試驗(yàn)，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(yàn)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(mǎn)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(jì)性綜合最佳，可以作為魯奇爐內(nèi)夾套腐蝕修復(fù)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?xì)獠痪鶆?，煤燃燒產(chǎn)生的粗煤氣中含灰量較高。因此，采取的修復(fù)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(jí)，減少煤粉含量；另一方面要調(diào)整氣化爐負(fù)荷分配，控制氣流流動(dòng)速率，以減輕對(duì)內(nèi)夾套的沖刷腐蝕。

3 魯奇氣化爐內(nèi)夾套腐蝕修復(fù)施工技術(shù)的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某單位的煤制氣項(xiàng)目核心裝置為Mark Ⅳ型魯奇氣化爐，設(shè)計(jì)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(yīng)的修復(fù)方案。受限于氣化爐內(nèi)部的狹小空間，腐蝕修復(fù)施工工序繁瑣，交叉作業(yè)較多，修復(fù)施工難度較大[4-6]。

3.2 修復(fù)方案

該煤制氣項(xiàng)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?xì)獠痪鶆颍瑢?dǎo)致氣化爐內(nèi)夾套受到腐蝕。針對(duì)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(duì)于腐蝕變薄的部位，使用異種鋼焊條補(bǔ)焊到厚度超過(guò)22 mm，再對(duì)表面進(jìn)行噴砂處理，最后對(duì)夾套區(qū)域堆焊3～5 mm的inconel625鎳基合金。

3.3 腐蝕修復(fù)施工技術(shù)的應(yīng)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(hào)后分類(lèi)存放；清理設(shè)備內(nèi)殘?jiān)?，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(jìn)入爐體內(nèi)部，使用磨光機(jī)去掉爐篦螺栓和螺母，將爐篦分體吊至廠房外存放。

第二，測(cè)量夾套厚度。使用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量夾套厚度，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，繪制厚度分布圖，確定夾套換板、補(bǔ)焊面積及厚度。

第三，換板。采取分塊拆除的方法，對(duì)夾套進(jìn)行八等分并進(jìn)行標(biāo)記，如果上部與下部間焊縫無(wú)法辨識(shí)，可借助便攜式光譜儀確定焊縫位置并標(biāo)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(jī)切割移除。拆除兩塊夾套后，組對(duì)一塊復(fù)合板，焊接定位護(hù)板，后續(xù)拆除一塊夾套后組對(duì)一塊復(fù)合板，并確保復(fù)合板組對(duì)平齊，焊縫錯(cuò)邊在3 mm以?xún)?nèi)。清除復(fù)合板坡口、母材表面的氧化物等雜質(zhì)，將復(fù)合板預(yù)熱超過(guò)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(méi)有裂紋、飛濺等缺陷。

第四，夾套補(bǔ)焊。夾套腐蝕主要是均勻凹坑，可以在每個(gè)凹坑中心處向周邊施焊，使用多層次補(bǔ)焊法逐漸擴(kuò)大補(bǔ)焊面積。補(bǔ)焊前預(yù)熱到150 ℃以上，先用小電流、小面積補(bǔ)焊，再用正常電流補(bǔ)焊，避免補(bǔ)焊造成夾套變形、燒穿。重復(fù)補(bǔ)焊操作，使補(bǔ)焊后的夾套厚度達(dá)到22 mm，最后對(duì)夾套厚度進(jìn)行測(cè)量以保證補(bǔ)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(yīng)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(xué)設(shè)置智能控溫裝置，打開(kāi)開(kāi)關(guān)開(kāi)始熱處理。在熱處理過(guò)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(cè)。對(duì)于夾套換板，應(yīng)檢測(cè)焊縫確保沒(méi)有裂縫、飛濺、咬邊等問(wèn)題，對(duì)焊縫兩側(cè)進(jìn)行打磨，通過(guò)TOFD檢測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)。夾套補(bǔ)焊后，對(duì)補(bǔ)焊部位表面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，確保無(wú)焊瘤等缺陷，通過(guò)滲透檢測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)。

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

第八，夾套堆焊。噴砂后進(jìn)行夾套堆焊，采用MIG焊，每臺(tái)氣化爐使用5臺(tái)自動(dòng)堆焊機(jī)。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(guò)滲透檢測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)。

第九，夾套耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)水源使用消防水，試驗(yàn)壓力0.19 MPa。達(dá)到設(shè)計(jì)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(yàn)過(guò)程注意觀察夾套有無(wú)異響或鼓包等異?，F(xiàn)象。

第十，附屬設(shè)備和爐篦回裝。根據(jù)爐篦序號(hào)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(fù)施工工藝復(fù)雜，在受限空間內(nèi)的交叉作業(yè)眾多，需要加強(qiáng)施工過(guò)程的安全防護(hù)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(hù)人員在場(chǎng)情況下進(jìn)行爐內(nèi)施工作業(yè)。

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

起重用工具、器械需要經(jīng)過(guò)全面檢查，嚴(yán)禁超負(fù)荷使用。同時(shí)，在施工過(guò)程中實(shí)行文明施工責(zé)任制，使?fàn)t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(fù)效果

該項(xiàng)目采用上述施工技術(shù)和措施進(jìn)行修復(fù)后，運(yùn)行試驗(yàn)合格。正常運(yùn)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(fù)效果較為理想。

4 結(jié)語(yǔ)

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(dǎo)致的化學(xué)和物理腐蝕，可以采用換板+補(bǔ)焊的修復(fù)方案。內(nèi)夾套腐蝕的修復(fù)面臨空間狹小、工序復(fù)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)施工質(zhì)量控制。

在修復(fù)施工過(guò)程中，使用自動(dòng)堆焊機(jī)可提升堆焊效率，選用Inconel 625鎳基合金可以滿(mǎn)足修復(fù)質(zhì)量要求，尤其要注意嚴(yán)格控制補(bǔ)焊、堆焊質(zhì)量，并采取必要的安全防護(hù)措施。本文的經(jīng)驗(yàn)可以供同類(lèi)工程的腐蝕修復(fù)提供參考。在具體工程應(yīng)用中還需要結(jié)合原料煤和魯奇爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提升施工技術(shù)的針對(duì)性和實(shí)效性。