某化肥厂德士古水煤浆加压气化装置气化炉托砖板法兰损毁事故案例分析
某化肥厂德士古水煤浆加压气化装置气化炉托砖板法兰损毁事故案例分析
1. 托砖板损毁前后经过
05年10月23日夜班5：00，某化肥厂德士古水煤浆加压气化装置气化炉C托砖板温度TI0722C从257℃持续上涨，气化岗位中控主操作陈某马上向气化岗位负责人及大氮肥车间领导汇报，同时通知电仪车间有关人员进行确认，大氮肥车间领导马上要求进行确认处理，气化岗位负责人马上赶到现场进行处理，5：48分时温度上涨至709℃，后又回落至245℃，仪表人员认为是温度表失灵。白班接班后8：15，TI0722C又急剧上涨，气化中控主操作马上向车间汇报，同时通知仪表人员校表，8：15另一温度点TI0723C也开始上涨，车间领导赶到中控进行指导处理，8：34另外两个温度点也开始上涨，气化炉进行减负荷处理，8：45后，托砖板温度分别上涨至TI0720C：298℃、TI0721C：256℃、TI0722C：1212℃、TI0723C：500℃。在进行气化炉减负荷处理过程中，8：59因工艺气出口温度TIA0709C高气化炉C联锁跳车。
2. 检查情况
① 裙板与托砖板、激冷室内壁之间积满了灰渣;裙板与托砖板之间形成的空间内从圆周上看有2/3严重集灰渣，灰渣呈细丝状
② 锥底砖渣口被冲刷至Φ680-700，锥底砖内表面有多道纵向沟槽，沟槽宽、深10-20mm;HF-03与HF-02砖之间局部有大的缝隙，宽约10mm
③ 托砖板法兰没有挂渣;筒体砖表面光滑，基本无挂渣;渣口有轻微挂渣
④ 托砖板法兰内孔比较均匀地损毁为Φ930;南部方向约1/3圆周上托砖板法兰下表面被烧穿：靠外被烧掉5-20mm，靠里被烧掉30-60mm
⑤ 激冷环上表面及激冷环半环管没有被冲刷的痕迹
⑥ 下降筒堵渣，在激冷环100mm以下、高度约有3400mm的下降筒堵了
4. 原因分析
我们认为，此次气化炉C托砖板法兰的损毁应该按两个过程来分析，一是托砖板法兰内孔由Φ780比较均匀地损毁至Φ930，这个过程应该是一个比较缓慢的过程;二是托砖板法兰约1/3圆周烧穿，这个过程进行得应该很快，一旦在某个薄弱的部位烧穿，会迅速扩展。
㈠托砖板法兰内孔均匀损毁
1. 高温腐蚀
在气化炉燃烧室生成的粗煤气中除含有CO、H2、CO2和H2O等主要成分外，另外还含有H2S、SO2等微量成分，进入激冷室前温度1000℃以上，压力5.8~6.0MPa。托砖板法兰材料在高温氧化性介质(C02、H20等)中受热时，会造成氧化腐蚀。而高温下金属与H2S、SO2接触，则会造成硫化腐蚀。在高温、高压下，粗煤气中的氢会侵入托砖板法兰材料中与铁的不稳定碳化物Fe3C反应生成CH4，使钢基体平均含碳量降低，造成表面脱碳。
2. 高温冲蚀
高温、高速的粗煤气携带着熔融态炉渣出锥底砖渣口后，在托砖板法兰内径处产生湍流，对托砖板法兰会产生冲刷、剪切作用，作用的结果是在托砖板法兰内孔处材料表层转化为表面变形能，从而造成托砖板法兰材料的冲蚀、剥离。就托砖板法兰损毁前的气化炉实际操作压力和生产负荷来说，出渣口介质的流速应该比设计值要高，从而对托砖板法兰造成的冲蚀、剥离作用要厉害。下降筒堵渣后，因阻力变大，也会加剧介质在托砖板法兰处的湍流。
3. 托砖板材料问题
托砖板法兰原用材料为日本进口的SA387Gr11CL2板材，因采购原因，7月份检修时换成了与其相当的锻造材料SA182F11，该法兰用钢锭由上海大隆铸造厂生产，由上海镒隆金属材料有限公司锻造出毛坯，由哈尔滨巨友动力设备有限公司加工成形。但根据大连金重的张利伟、都吉哲等在《压力容器》杂志2005年第4期上发表的论文《水煤浆气化炉的制造》，其中有如下表1所示SA387Gr11CL2和SA182F11CL2的物理性能对照，可以看出，后者的性能要低于前者。而根据供货厂家提供的质量证明书，用于制造我厂托砖板法兰的SA182F11锻件其(常温)屈服强度为255MPa，抗拉强度为475MPa，硬度HB160(新件实测为110、116、143)，其性能比表1数据还低。强度、硬度越低，耐冲刷性能越差。供货厂家提供的锻件质量证明书上没有产品标准编号、没有锻件级别、没有热处理状态，单纯从质量证明书来看，锻造厂家的质量管理不够规范、严谨，锻后是否已及时进行消氢处理也未可知。国内之所以没有与SA387和SA182材料相对应的产品标准，无论是哈锅还是大连金重在气化炉制造时均选用相应的进口材料，就是因为国内在SA387Gr11CL2和SA182F11CL2类似材料生产技术水平和质量保证方面与国外相比还是有一定差距的。
4. 锥底砖结构问题与筑炉质量
在没有炉砖或炉渣保护的情况下，托砖板法兰不管是采用SA387Gr11CL2板材还是SA182F11锻件，都无法承受1000℃以上粗煤气的烧蚀，按渭化罗总的说法，这里实际上是烧熔了。
锥底处HF-01～03热面砖外圆周呈直缝，一旦最上层HF-03出现松动或砖缝内灰浆不饱满，最底层HF-01与托砖板法兰之间如果局部有缝隙或者如果灰浆处理不好，这里就会形成串气的通道，从此处砖缝处下来的高温粗煤气与在托砖板法兰内孔处呈湍流冲蚀的高温粗煤气、高温炉渣共同作用将Φ780-Φ930之间的法兰材料给吃掉了。事实上7月份换托砖板法兰时，换了全部锥底砖和浇筑料，当时砌筑锥底耐火砖和浇筑料时间太短，仅37小时，砌炉特别是对浇筑料养护不够，10月份又仅换了HF-03，本次砌炉后新旧砖结合不好。本次砸锥底时发现浇筑料有好多纵向裂纹并且很好砸，也说明当时砌炉可能是有问题。
综合以上各个可能原因，我们认为，如果不是SA182F11本身存在重大质量缺陷，用SA182F11 CL2或SA182F11 CL3代用SA387Gr11CL2应该没有问题。在缺少耐火砖或炉渣对托砖板法兰有效保护的情况下，高温粗煤气、炉渣对法兰材料的腐蚀、冲蚀甚至烧熔是造成托砖板法兰内孔均匀损毁的主要原因。
㈡托砖板法兰烧穿
1. 材料蠕变与热膨胀
托砖板法兰材料在高温下蠕变，使得托砖板法兰与激冷环上表面之间局部出现缝隙，造成高温粗煤气喷出。可能在托砖板法兰内孔没有扩大到Φ930时，蠕变还不至于造成高温粗煤气喷出。托砖板法兰内孔没有损毁时，从径向上有一个1000℃以上至大约250℃的温度梯度。随着托砖板法兰内孔的不断变大，高温区距离激冷环螺柱越来越近，作为细长形小截面的螺柱更容易沿轴向受热膨胀，高温粗煤气从受热膨胀最厉害的某根螺柱处最先喷出并将托砖板法兰该处的材料烧熔，然后迅速扩展。
2. 激冷环垫片
激冷环垫片材料为高铝纤维纸，高铝纤维纸材料能够耐高温但它本身比较脆弱，激冷环垫片尺寸又较大，如果做成整体，可能制造、拿放不便，哈锅在制造时采用了子母口分片式(三片)，靠迷宫密封，在托砖板法兰内孔损毁至Φ930时，子母口已呈不完整的迷宫，高温粗煤气可能会从此处喷出。
3. 下降筒堵渣
下降筒堵渣后，阻力变大，高温、高压的粗煤气也可能对托砖板法兰和激冷环的连接产生了一个撕扯作用，并加剧了高温粗煤气的喷出。
总的来说，托砖板法兰约1/3圆周烧穿是在法兰内孔不断扩大之后，是以上多方面因素共同作用的结果。
5. 预防措施与建议
1. 改进锥底砖及托砖板局部结构
1) 改造耐火砖HF-01结构尺寸使其呈L形，利用它将托砖板法兰包起来隐蔽在里面不使其外露，一方面，可以在一段时间内保护法兰不与高温粗煤气接触，不被高温粗煤气和炉渣冲蚀;另一方面，避免或减少粗煤气中相应成分与托砖板法兰材料反应的可能。此项改造，炉砖已准备好，这次C炉检修拟用上。
2) 是否可以探讨改造托砖板法兰结构，将其改为水夹套结构。
2. 严格检修控制
1) 严格按照耐火衬里厂家提供的技术方案或要求进行筑炉、养护和烘炉，不为了抢进度而随意压缩筑炉工期。
2) 严格筑炉质量控制，由筑炉专业技术人员跟踪、检查浇铸料、每层耐火砖的砌筑。
3) 在学习兄弟厂家检修经验的基础上，由设备室、技术室和大氮肥车间共同确定气化炉检修的质量控制点，将关键控制点设为停止点，由设备室、技术室和大氮肥车间技术人员共同确认、签字。
3. 加强原材料质量控制
1) 托砖板法兰采用的材料SA182F11为美国ASME/ASTM牌号，供方采用了国内生产的毛坯，有必要对钢锭的生产、锻件的锻造等关键环节派人监造。
2) 加强材料的验收入库管理，这包括托砖板法兰和炉砖、浇铸料的验收，对于炉砖，必要时应抽样进行相关试验。
4. 严格工艺指标控制
加强托砖板温度、激冷水量、渣口压差等工艺指标管理，制定严格的停车指标，并严格执行。高负荷运行时，操作压力也要相应提高，以免渣口处介质流速过快。
5. 外出考察和再学习
随着时间的推移和负荷的提高，我们现有气化装置的问题逐渐暴露，这套装置要达到高负荷长周期运行还有许多问题有待解决，应该说从工艺操作到设备管理，我们对其还没有真正吃透。这方面国内其它有德士古气化装置的厂家肯定有一些经验值得我们借鉴，希望有机会到有关厂家进一步学习、交流，学习人家已有的生产、维修、改造和设备管理经验。建议与有关研究、设计单位进行交流，了解其原始设计的初衷，研究其可能存在的设计缺陷或没有考虑到的地方，减少或避免我们进行改造时的盲目性。目前来说，天辰公司和华陆公司都参与过水煤浆加压气化装置的设计，分别有自己的一部分经验，我认为有必要与这两个设计院的有关人员分别进行一下技术交流。到一个地方去交流和学习，时间不宜太短，参观式的走马观花可能起不了预定考察的效果。
