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煤直接液化厂故障分析与预防
A.A. SAG[II~S, V. K. SETHI, P. GANESAN, H. V. RAGLE, and R. C. SEARLES
KY项目在卡特伯格州的氢煤化试验厂是美国最大的煤直接液化项目。自从开始运营后公司就细心的监管，检验并记录偶发事故。检验的结果被用来开发补救措施和提高规模化单元的设计。在这篇文章中，本文在就以下事件的冶金方面进行说明：1.热交换器马氏不锈钢的应力腐蚀开裂；2.高温合金密封环的应力腐蚀开裂；3.阀体上低合金螺母的脆性破坏；4. 分馏和侧线汽提塔的腐蚀损坏；5在常压分馏区煤液体输送线侵蚀腐蚀；6. 除氧器碳钢管入口斑点腐蚀；7. 流态煤交换阀门处的马氏体不锈钢球的脆性破坏；8.截至阀钴基合金座圈开裂；此外，经过补救措施和预防措施后的正常运作，将简要描述。
引言

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KY项目在卡特伯格州的氢煤化试验厂是美国最大的的煤直接液化项目。氢煤化法可以使高品质的煤转化为清洁液体，它是烃类研究院研发的直接催化加氢过程，。戴尼洛克森公司做了实验室的开发工作，最终HRI的母公司在卡特伯格州建设了产能200-600吨/天装置。KY项目的氢煤化试验厂发起者是能源部，肯塔基州联邦的电力研究所，亚什兰油公司，标准石油公司，康菲煤发展公司，美孚石油公司，柔克股份公司。
氢煤化法的关键是反应堆容器，为了提高利用率把混有煤粉，氢和油的催化剂的回收再利用。在浆液制备器中利用循环油使煤浆状化：用单独加热器和高压泵把浆料和氢加热后一起进入反应容器。这个反应器还包括一个浆液回收系统和催化剂停止电路。内部反应器的大部分体积被浆状的催化剂床层占据，并且在顶部有一个小空间用来填充有蒸汽和液体的混合相。从反应器进入一连串隔板到达顶部，包括一个从反应堆回收氢气的蒸汽分离器，从蒸汽分离器的底部经过额外的分离和洗涤。蒸汽分离器底部经过两次降压。
图 1 - 流程示意图为氢煤化试验工厂的部分加氢工艺流程图（用伊利诺伊州6号煤设计热量和物料平衡）。

顶部从闪蒸罐进入分馏塔;底部经过旋离，剥离，再通过减压蒸馏，以产生燃料产品及循环油。真空器顶部进入分馏塔，分馏区包括一个侧线汽提塔和回流器，燃料产品和回收油在那里被移除。
该工厂经营了三年，流程组件绝大多数的可靠性已经得到证实。本文介绍了全厂八个组件冶金故障检查的结果。检查结果显示了事件发生的大致顺序。要想从经验方面了解这些问题只能间接从煤直接液化技术相关工艺条件方面入手。在本文中所描述的是通过非全面抽样发现的组件故障和该工厂两年内所发生故障的解决方案。在运作的第一年，关于设计优化和排泄阀系统的材料选择进行了一系列的测试。这方面已经在其他文章做了详细的描述在这里不做过多介绍。一个安置在入口处的冷热蒸汽交换分离器在运行的第一年就出现了应力腐蚀开裂。这件事在别处也进行了很好的记载在这里将不做介绍，
换热器边缘的马氏体不锈钢螺丝的应力腐蚀
受影响的是循环油浆冷却器（旋风分离器顶部和减压塔顶部的循环油在进入准备釜之前冷却装置）的一部分。这就需要对煤炭液化反应中的后续处理步骤进行严格控制。冷却器由两个浮头式换热器并联连接。冷却器由碳钢的管.壳和浮顶盖和12.5毫米（ 0.5英寸）编号为ASTM A193 B6的马氏体不锈钢浮头螺栓组成。在管壳两侧有标准温度为38的冷却水，.在定期维修期间发现几个浮头螺栓开裂，选其中两个作检查。两个螺栓有相似的横向裂痕，并且在螺纹槽根部有少量面积减少和裂纹。这两个螺丝裂痕的起源是从暗黑半圆的径向出发的。扫描电子显微镜（SEM ）检查揭示了暗区被刻面和晶间的性质。其他的裂痕检查发现了几个伴有混晶的小坑区裂痕，裂痕可能就是从这里终止的。
对一个螺栓横截面的金相检验表明了在断口附近槽根出现了两种类型的恶化（如图3）；1 ）在断口附近槽根已经出现分枝裂纹。这些裂纹有几个密位（ 1密位=25.4 P，M ）深，主要是晶体分支龟裂。故障螺栓的裂缝原因可能起源于一个相似的原因。这些裂缝起源处的异物经检测是少量的铜，2.所有螺栓的螺纹先端，均发现存在分支裂纹，这些裂纹在晶体中与一些粒间的自然分支的共存。裂纹深度又加深几个密位，铜是很明显存在裂缝中。

图。 2 - 断裂马氏体不锈钢螺栓的表面。右手侧黑暗的半圆区域的方位特征和沿晶断裂模式，其余部分的断裂是混合晶间 - 穿模式。
图。 3 - 从马氏体不锈钢螺栓的横截面的显微镜照片，两种类型的裂纹的观察：（1）在靠近该槽的根断裂面的分支裂纹已经出现如图（a）和螺丝顶端裂痕如图（ B），该螺丝的裂痕是类型（1）。
上述观察结果得出的结论是；如果问题依然存在，建议以后使用无铜防粘剂，以及使用较低的硬度螺栓材料（如编号为ASTM A193 B6X）。
铁基高温合金密封环的应力腐蚀开裂
这个环是安装在高压闪蒸釜内部连接管线入口上法兰的一部分。因此该环暴露在重煤液体，氢和高温炭灰中，在关于泄漏联合研究后这个环被移除了。密封件的截面示意图组件示于图4，一旦组装好，并拧紧时，密封处的弹性变形满足密封表面对密封性的要求。

上图是密封装置法兰剖开的横截面的示意图，在组装时下面的紧固密封环的弹性变形与上面密封面形成气密配合。
失败的环材料为ASTM A638 -70级660 ，用24-27 pet Ni, 13.5-16 pct Cr制作的一种铁基超耐热合金，1-1.5 pct Mo, 2 pct Ti, <2 pct Mn, 和小于1厘波的其他元素
环初步化验结果显示一个圆周裂纹出现在咬合的根部（图5）覆盖圆周的40%，裂纹传播到圆环直径的20%.沿着咬合的裂痕部分发现了光腐蚀痕迹。
洛氏硬度测量肋拱状的环。其硬度的平均值相当于布氏硬度值的290，这个规格合金要求的最低硬度为248布氏。通过对环材料做定性EXD元素分析，证实存在主要合金组分为(Fe, Ni, Cr, Ti,)，并且符合预先对组分含量的判断。
从环的金相裂纹终端切除一片厚度为12.5毫米的薄片然后用SEM检查这个横截面。如图5,显示出起始于咬合底部裂纹的光学显微镜照片。延伸到金属众多分支是显而易见的。
在这一点裂缝为3毫米长。
图 5 - 耐应力腐蚀裂纹，在一个法兰密封环咬合的基部的光学显微镜照片
图6显示电解草酸腐蚀后的部分裂痕，该示例显示了一些晶界析出物的晶型结构，明显裂纹穿晶而过。元素分析显示了裂痕空间存在一定数量的S和CI，环直径上的腐蚀处和一些裂痕起源处也有一些S.
从上面观察，这种情况可能是在某些时刻加工的液体通过密封元件泄漏到咬合底部。由于法兰密封环的横街面是高压应力作用的区域。液体泄漏过程是这些应力和腐蚀共同作用结果，可能造成相同的分支应力腐蚀开裂，并协助其扩散。预期沉淀硬化型合金的裂纹形态与高强度的奥氏体材料裂纹的形态是一样的。可替换地（或除了以上所述） ，停机检查发现咬合部水气与残留的氯化物结合可能产生类似的结果。由于裂纹在晶内形成连多硫酸和随后的腐蚀不是失败的首要原因。
工艺液体可能泄漏到咬合通道，因为：a.密封上的划痕，b.不够紧或者密封组件没对准，c）由于螺栓松弛或组件热膨胀系数不同导致密封的不好，此外，也有可能是在早期的维护程序中液体就存在缺陷。
由于上述调查结果，在运行中应该避免液体滞留和过度暴漏在潮湿环境中。建议在冷却情况下运行，这样可以减少接头损失。
阀体中低合金螺母的脆性破坏
螺母与阀体固定在一起，在日常维护中移除的球阀10.3-MPA (1500-psi)就是脆性破坏。这个阀门是双车第二减压站的截至阀之一。这个没有直接暴露在液体中的螺母温度大约有370(700).
螺母适合每英尺8个线程50 -RAM （ 2英寸）直径的螺栓。辨别冲压是2H，两端其中一端涂有白色涂料。
螺母有两个方面的裂纹，纵向裂纹方向与螺母的轴线大致平行，通常通过贯穿整个壁厚（图7）。其他系统（圆形）小的裂纹大多沿着螺母的螺纹，从金属中穿透很短的距离（图8）。两个主要的裂纹（图7）足够大允许通过手动工作使封闭部分分离。在图中所示的表面8 （b）（暴露原始断裂面）。左侧轻微变色（在照片中不可见）表明这个特定裂纹发起那里。图9中所示的为上述区域的特写，揭示了一些从该地区的脊辐射。
通过SEM观察该断裂面发现了晶间混穿，（以及之前的奥氏体晶界）脆性断裂模如图10扫描电镜的外观的圆周裂纹根部的一个凹槽。这两种系统断口微观结构是相似。