锅炉燃气燃烧器不锈钢喷嘴腐蚀开裂原因分析

引言

当前,在环保、节能要求日益严格的政策下,我国石化、钢铁、机械等行业锅炉、加热炉的燃气燃烧器数量日益增加,所使用的燃料气种类范围也从天然气拓展到高炉煤气、油气田伴生气、油气等多种

气体。

喷嘴是燃气燃烧器总成关键零部件之一,它的作用是控制燃气喷射量和实现有效燃烧,其安全性能直接关系到锅炉、加热炉设备的长周期运行。

本文以某化工厂100t/t燃气锅炉燃烧器不锈钢喷嘴为对象,通过化学成分分析、机械性能试验、金相分析、扫描电镜(sEM)观察和能谱分析等技术手段,对其腐蚀开裂原因进行研究,并提出了预防改进措施。

1喷嘴腐蚀开裂形貌与取样情况

燃气燃烧器喷嘴标称材质为AsMEsAP12hTP10s,使用过程中其弯管一侧封闭端沿喷嘴孔纵向开裂,裂纹长度约80mm,距离裂纹约180mm处腐蚀严重,如图1和图2所示。

在喷嘴弯管远离开裂和腐蚀部分的另一侧,割取光谱、拉伸试样:在开裂和腐蚀部位割取金相、断口分析试样:在直管部位,分别割取扩口和压扁试样。

2化学成分分析

依据标准《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》(GB/h11170一2008)[2],采用牛津FOUrDRY-MAshER固定式全谱直读光谱仪检测喷嘴弯管材料化学成分,其材质符合AsMEsAP12标准中hTP10s材料化学成分要求,检测结果如表1所示。

3机械性能试验

依据标准《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/h228.1一2010)[P]进行喷嘴弯管材料的常温拉伸试验,其常温屈服强度和抗拉强度满足标准要求,断后伸长率低于标准要求:拉伸试样断后无明显缩颈现象,其断口特征为脆性断裂。依据标准《金属材料管压扁试验方法》(GB/h246一2017)[4]进行喷嘴直管的压扁试验,试样外壁变形处有裂纹,试验结果不合格。拉伸及压扁试验结果如表2所示。

4金相组织观察

割取图1中开裂部位,对其横截面进行磨制、抛光和侵蚀后在体视显微镜下观察,可以发现明显的结焦附着物和渗碳层(图3)。放大观察可以发现:靠近内壁处晶界碳化物呈块状和连续网状分布,距离内壁较远处晶界碳化物呈断续链状分布,碳化程度逐渐减小:晶界存在大量碳化物析出相,如图4所示。靠近外壁处晶界也呈现碳化现象,其渗碳层深度较内壁处小,晶界碳化物析出相的数量也较之少。

割取图2中腐蚀严重部位,对其横截面进行磨制、抛光后观察,可以发现外壁处晶界氧化明显,晶粒内部有大量颗粒状碳化物析出:靠近内壁处组织与之类似,但氧化程度较小:整个横截面的奥氏体组织均有过烧现象,存在三角晶复熔区,如图5所示。

5SEM形貌观察及能谱分析

选择图3中靠近喷嘴孔的渗碳层位置进行扫描电镜观察,可以发现明显的微裂纹和空穴(图6):选择其中的碳化物析出相和奥氏体基体进行能谱分析可知,渗碳层内碳化物以Cr元素为主(含量高达41.5%),而Ni元素含量(0.8%)远低于基体(22.8%),碳化物消耗了基体中的Cr元素使其含量大幅降低(仅1.7%):C元素在渗碳层碳化物和基体中含量均较高:能谱分析结果如表3所示。对开裂部位内壁的结焦物进行能谱分析,其C元素含量高达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%,同时也检出了危害性的s和C1元素。

在扫描电镜下观察图2中喷嘴弯管腐蚀严重部位的外壁面,可以发现其上存在大量的腐蚀产物和沿晶的微裂纹(图7和图8)。选择裂纹附近位置腐蚀产物进行能谱分析,结果表明其0元素含量很高(25.4%~28.3%):C元素含量较高(5.3%~6.9%),可以检出危害性的s、C1元素。

6分析与讨论

该100t/h燃气锅炉烟气出口温度约1200℃,燃烧器喷嘴部位温度不低于800℃,所使用的燃料气主要成分为甲烷,还混有一定含量的丙烯、异丁烷、丙烷等烃类和微量的H2s(<1×10-6)。当燃料气在燃烧器内流速过缓和/或不均匀时,加之炉膛温度分布不同而使喷嘴管受热不均,容易发生结焦,高温结焦物会流向喷嘴弯管的封闭端并汇集。高温下不锈钢材料与富碳的结焦物接触,C元素将向不锈钢材料内部扩散,产生富Cr的碳化物脆生相,即产生渗碳损伤[5]。温度越高,渗碳发展越快,高碳活性气相(如甲烷)和微量氧利于渗碳损伤的发展。渗碳使材料体积膨胀、密度减小,并在其表面形成渗碳层。由于结焦物、渗碳层和非渗碳层金属基体的热膨胀系数存在较大差异,必然沿管壁径向产生一系列附加应力[6],加之喷嘴口附近应力集中的增强效应,造成喷嘴弯管一侧封闭端沿喷嘴孔纵向开裂。因此,可以认为,喷嘴弯管封闭端开裂主要的损伤模式为高温渗碳。

喷嘴弯管腐蚀严重部位发现了明显的氧化层,其内外壁金属均存在晶界氧化现象,外壁面可以发现沿晶的微裂纹。这是由于喷嘴在高温含氧气氛中工作,材料发生表面氧化,致使金属表面和内部的化学成分不同而产生比容差,促进了微裂纹的形成。氧在裂纹尖端发生吸附和吸收,氧原子扩散到裂纹尖端的基体中,通过在裂尖塑性区固溶降低了金属原子间结合能[7]。当氧的浓度超过其在合金中的固溶度时,则发生氧化反应,尤其是沿晶氧化,从而弱化晶界结合力,造成合金的严重脆化,促进了裂纹的沿晶扩展。

材料的抗高温氧化性能优劣取决于保护性氧化膜的热力学稳定性和动力学生长速度等基本属性,其化学成分对高温氧化行为有重要的影响。Cr元素被认为能够显著提高钢在高温时的抗氧化能力,其能够在钢表面上形成一层致密的Cr203氧化膜,从而有效阻挡外界氧原子向钢中的扩散。300系列不锈钢在816℃以下具有良好的耐高温氧化腐蚀性能[5]。管壁奥氏体组织发现的三角晶复熔区说明其存在过烧现象,喷嘴弯管的结焦引起或促进了此种过烧,显著降低了其耐高温

氧化腐蚀性能。

7结语

燃气燃烧器喷嘴开裂的主要原因是使用中结焦,其失效模式为高温渗碳和高温氧化腐蚀。今后的燃气燃烧器运行过程中,燃料气应避免携带液态烃类,其流速不应过缓并保证分布尽可能均匀,避免或减缓燃烧器结焦和喷嘴弯管局部过热。同时,要优化燃烧器设计,对于300系列奥氏体不锈钢材质喷嘴,应避免其在800℃以上工作:或升级喷嘴材料,采用高Cr材质制作或增加陶瓷保护层。