引言

當(dāng)前,在環(huán)保、節(jié)能要求日益嚴(yán)格的政策下,我國石化、鋼鐵、機(jī)械等行業(yè)鍋爐、加熱爐的燃?xì)馊紵鲾?shù)量日益增加,所使用的燃料氣種類范圍也從天然氣拓展到高爐煤氣、油氣田伴生氣、油氣等多種

氣體。

噴嘴是燃?xì)馊紵骺偝申P(guān)鍵零部件之一,它的作用是控制燃?xì)鈬娚淞亢蛯?shí)現(xiàn)有效燃燒,其安全性能直接關(guān)系到鍋爐、加熱爐設(shè)備的長周期運(yùn)行。

本文以某化工廠100t/t燃?xì)忮仩t燃燒器不銹鋼噴嘴為對象,通過化學(xué)成分分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相分析、掃描電鏡(sEM)觀察和能譜分析等技術(shù)手段,對其腐蝕開裂原因進(jìn)行研究,并提出了預(yù)防改進(jìn)措施。

1噴嘴腐蝕開裂形貌與取樣情況

燃?xì)馊紵鲊娮鞓?biāo)稱材質(zhì)為AsMEsAP12hTP10s,使用過程中其彎管一側(cè)封閉端沿噴嘴孔縱向開裂,裂紋長度約80mm,距離裂紋約180mm處腐蝕嚴(yán)重,如圖1和圖2所示。

在噴嘴彎管遠(yuǎn)離開裂和腐蝕部分的另一側(cè),割取光譜、拉伸試樣:在開裂和腐蝕部位割取金相、斷口分析試樣:在直管部位,分別割取擴(kuò)口和壓扁試樣。

2化學(xué)成分分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》(GB/h11170一2008)[2],采用牛津FOUrDRY-MAshER固定式全譜直讀光譜儀檢測噴嘴彎管材料化學(xué)成分,其材質(zhì)符合AsMEsAP12標(biāo)準(zhǔn)中hTP10s材料化學(xué)成分要求,檢測結(jié)果如表1所示。

3機(jī)械性能試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/h228.1一2010)[P]進(jìn)行噴嘴彎管材料的常溫拉伸試驗(yàn),其常溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)要求:拉伸試樣斷后無明顯縮頸現(xiàn)象,其斷口特征為脆性斷裂。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料管壓扁試驗(yàn)方法》(GB/h246一2017)[4]進(jìn)行噴嘴直管的壓扁試驗(yàn),試樣外壁變形處有裂紋,試驗(yàn)結(jié)果不合格。拉伸及壓扁試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

4金相組織觀察

割取圖1中開裂部位,對其橫截面進(jìn)行磨制、拋光和侵蝕后在體視顯微鏡下觀察,可以發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)焦附著物和滲碳層(圖3)。放大觀察可以發(fā)現(xiàn):靠近內(nèi)壁處晶界碳化物呈塊狀和連續(xù)網(wǎng)狀分布,距離內(nèi)壁較遠(yuǎn)處晶界碳化物呈斷續(xù)鏈狀分布,碳化程度逐漸減小:晶界存在大量碳化物析出相,如圖4所示?？拷獗谔幘Ы缫渤尸F(xiàn)碳化現(xiàn)象,其滲碳層深度較內(nèi)壁處小,晶界碳化物析出相的數(shù)量也較之少。

割取圖2中腐蝕嚴(yán)重部位,對其橫截面進(jìn)行磨制、拋光后觀察,可以發(fā)現(xiàn)外壁處晶界氧化明顯,晶粒內(nèi)部有大量顆粒狀碳化物析出:靠近內(nèi)壁處組織與之類似,但氧化程度較小:整個(gè)橫截面的奧氏體組織均有過燒現(xiàn)象,存在三角晶復(fù)熔區(qū),如圖5所示。

5SEM形貌觀察及能譜分析

選擇圖3中靠近噴嘴孔的滲碳層位置進(jìn)行掃描電鏡觀察,可以發(fā)現(xiàn)明顯的微裂紋和空穴(圖6):選擇其中的碳化物析出相和奧氏體基體進(jìn)行能譜分析可知,滲碳層內(nèi)碳化物以Cr元素為主(含量高達(dá)41.5%),而Ni元素含量(0.8%)遠(yuǎn)低于基體(22.8%),碳化物消耗了基體中的Cr元素使其含量大幅降低(僅1.7%):C元素在滲碳層碳化物和基體中含量均較高:能譜分析結(jié)果如表3所示。對開裂部位內(nèi)壁的結(jié)焦物進(jìn)行能譜分析,其C元素含量高達(dá)66.8%,0元素含量14.8%,Fe元素含量10%,Cr、Ni元素含量均小于1%,同時(shí)也檢出了危害性的s和C1元素。

在掃描電鏡下觀察圖2中噴嘴彎管腐蝕嚴(yán)重部位的外壁面,可以發(fā)現(xiàn)其上存在大量的腐蝕產(chǎn)物和沿晶的微裂紋(圖7和圖8)。選擇裂紋附近位置腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果表明其0元素含量很高(25.4%~28.3%):C元素含量較高(5.3%~6.9%),可以檢出危害性的s、C1元素。

6分析與討論

該100t/h燃?xì)忮仩t煙氣出口溫度約1200℃,燃燒器噴嘴部位溫度不低于800℃,所使用的燃料氣主要成分為甲烷,還混有一定含量的丙烯、異丁烷、丙烷等烴類和微量的H2s(<1×10-6)。當(dāng)燃料氣在燃燒器內(nèi)流速過緩和/或不均勻時(shí),加之爐膛溫度分布不同而使噴嘴管受熱不均,容易發(fā)生結(jié)焦,高溫結(jié)焦物會(huì)流向噴嘴彎管的封閉端并匯集。高溫下不銹鋼材料與富碳的結(jié)焦物接觸,C元素將向不銹鋼材料內(nèi)部擴(kuò)散,產(chǎn)生富Cr的碳化物脆生相,即產(chǎn)生滲碳損傷[5]。溫度越高,滲碳發(fā)展越快,高碳活性氣相(如甲烷)和微量氧利于滲碳損傷的發(fā)展。滲碳使材料體積膨脹、密度減小,并在其表面形成滲碳層。由于結(jié)焦物、滲碳層和非滲碳層金屬基體的熱膨脹系數(shù)存在較大差異,必然沿管壁徑向產(chǎn)生一系列附加應(yīng)力[6],加之噴嘴口附近應(yīng)力集中的增強(qiáng)效應(yīng),造成噴嘴彎管一側(cè)封閉端沿噴嘴孔縱向開裂。因此,可以認(rèn)為,噴嘴彎管封閉端開裂主要的損傷模式為高溫滲碳。

噴嘴彎管腐蝕嚴(yán)重部位發(fā)現(xiàn)了明顯的氧化層,其內(nèi)外壁金屬均存在晶界氧化現(xiàn)象,外壁面可以發(fā)現(xiàn)沿晶的微裂紋。這是由于噴嘴在高溫含氧氣氛中工作,材料發(fā)生表面氧化,致使金屬表面和內(nèi)部的化學(xué)成分不同而產(chǎn)生比容差,促進(jìn)了微裂紋的形成。氧在裂紋尖端發(fā)生吸附和吸收,氧原子擴(kuò)散到裂紋尖端的基體中,通過在裂尖塑性區(qū)固溶降低了金屬原子間結(jié)合能[7]。當(dāng)氧的濃度超過其在合金中的固溶度時(shí),則發(fā)生氧化反應(yīng),尤其是沿晶氧化,從而弱化晶界結(jié)合力,造成合金的嚴(yán)重脆化,促進(jìn)了裂紋的沿晶擴(kuò)展。

材料的抗高溫氧化性能優(yōu)劣取決于保護(hù)性氧化膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)生長速度等基本屬性,其化學(xué)成分對高溫氧化行為有重要的影響。Cr元素被認(rèn)為能夠顯著提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化能力,其能夠在鋼表面上形成一層致密的Cr203氧化膜,從而有效阻擋外界氧原子向鋼中的擴(kuò)散。300系列不銹鋼在816℃以下具有良好的耐高溫氧化腐蝕性能[5]。管壁奧氏體組織發(fā)現(xiàn)的三角晶復(fù)熔區(qū)說明其存在過燒現(xiàn)象,噴嘴彎管的結(jié)焦引起或促進(jìn)了此種過燒,顯著降低了其耐高溫

氧化腐蝕性能。

7結(jié)語

燃?xì)馊紵鲊娮扉_裂的主要原因是使用中結(jié)焦,其失效模式為高溫滲碳和高溫氧化腐蝕。今后的燃?xì)馊紵鬟\(yùn)行過程中,燃料氣應(yīng)避免攜帶液態(tài)烴類,其流速不應(yīng)過緩并保證分布盡可能均勻,避免或減緩燃燒器結(jié)焦和噴嘴彎管局部過熱。同時(shí),要優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì),對于300系列奧氏體不銹鋼材質(zhì)噴嘴,應(yīng)避免其在800℃以上工作:或升級噴嘴材料,采用高Cr材質(zhì)制作或增加陶瓷保護(hù)層。