張維順 劉德宇 姜海一 石 凱

(1.中國(guó)石油烏魯木齊石油化工總廠；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)化爐豬尾管的失效引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[1～5]。國(guó)內(nèi)沿海某制氫裝置轉(zhuǎn)化爐于2010年6月投入使用，正常使用溫度820℃、壓力3.05MPa。2011年9月轉(zhuǎn)化爐爐管局部干燒溫度達(dá)到1 200℃以上，造成5根爐管爆管。轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行三年后停用一年有余，運(yùn)行期間制氫裝置反復(fù)啟停18次。2014年4月重新啟用充氮升壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐上豬尾管出現(xiàn)開裂泄漏，存在穿透性裂紋，影響了整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)化爐的上豬尾管數(shù)量甚多，查清管子開裂原因?qū)χ茪滢D(zhuǎn)化爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 宏觀檢查和表面探傷

上豬尾管主要用來吸收制氫轉(zhuǎn)化爐管受熱后的向上膨脹量，其材料為TP321H，操作溫度為520℃，主要介質(zhì)為H2、CO、CO2和烴。對(duì)轉(zhuǎn)化爐所有豬尾管拆開保溫進(jìn)行表面探傷，發(fā)現(xiàn)泄漏部位位于轉(zhuǎn)化爐管上法蘭蓋上焊口近爐管側(cè)，為環(huán)向裂紋，如圖1所示。部分豬尾管存在外表面裂紋，但并未沿壁厚方向貫穿，因此可以初步判斷裂紋起裂于外表面。隨后，對(duì)裂紋未貫穿豬尾管進(jìn)行取樣宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)外壁和內(nèi)壁均較平滑，沒有明顯的腐蝕痕跡，如圖2所示。

圖1 泄漏部位

圖2 失效豬尾管的宏觀形貌

2 金相組織觀察

從裂紋部位取樣進(jìn)行裂紋金相組織觀察，結(jié)果如圖3所示，可以看出，奧氏體晶界有碳化物析出相存在，裂紋以沿晶形式擴(kuò)展，且在裂紋周圍有較多的析出相。

圖3 裂紋金相組織

3 EDS能譜分析

為了確定開裂原因，對(duì)裂紋處晶界附件與晶

界進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結(jié)果見表1?？梢钥闯?，斷口表面除了含有主要合金元素外，還含有元素O和Cl ，且晶界附近的Cr元素含量比晶界處要低。

圖4 裂紋處能譜分析位置

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4 豬尾管開裂原因分析

4.1材料因素

TP321H為奧氏體不銹鋼，C含量較高，在奧氏體中處于過飽和狀態(tài)，當(dāng)使用溫度超過425℃并在425～815℃范圍內(nèi)停留一段時(shí)間時(shí)，過飽和的C就會(huì)向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和Cr元素化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如(Cr,Fe)23C6等，同時(shí)造成晶粒內(nèi)部貧鉻，即敏化[6]。失效豬尾管操作溫度為520℃，處于敏化溫度范圍區(qū)間。此外，超溫運(yùn)行和頻繁開停車也會(huì)對(duì)豬尾管材料造成一定的損傷。能譜分析結(jié)果中晶界附近Cr含量低于晶界處也表明了豬尾管材料在使用過程中出現(xiàn)了一定的敏化。

4.2應(yīng)力分析

制氫轉(zhuǎn)化爐的管系集氣管、轉(zhuǎn)化管和豬尾管需靠眾多的彈簧吊架來維持一個(gè)平衡的受力體系，然而這一體系在冷態(tài)和熱態(tài)下是不同的。該制氫裝置自2010年投產(chǎn)以后，開停車次數(shù)高達(dá)18次，較為頻繁，且彈簧吊架多年未進(jìn)行過調(diào)校，部分彈簧吊架已經(jīng)失效或趨于失效，導(dǎo)致個(gè)別彈簧吊架失去作用，打破了整個(gè)平衡體系，當(dāng)重新達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)后勢(shì)必會(huì)造成局部受力點(diǎn)的應(yīng)力集中。此外，豬尾管在制造安裝時(shí)，也不可避免地存在加工殘余應(yīng)力。

4.3腐蝕環(huán)境

由于該加氫裝置位于國(guó)內(nèi)沿海區(qū)域，空氣和雨水中均含有較多的Cl元素。制氫轉(zhuǎn)化爐開裂前已停用一年，豬尾管斷口能譜分析中發(fā)現(xiàn)的Cl元素也主要來源于空氣和雨水。Cl元素是導(dǎo)致奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要條件之一[7，8]。氯化物應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展特征通常是穿晶的，但是在材料敏化狀態(tài)下，則有可能出現(xiàn)穿晶與沿晶混合或純沿晶特征[9]。而關(guān)于敏化態(tài)奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界Cl離子濃度，目前暫未有統(tǒng)一說法。Herbsleb G認(rèn)為敏化態(tài)奧氏體不銹鋼在有無(wú)氯離子的常壓水溶液中都對(duì)沿晶應(yīng)力腐蝕敏感[10]，方智等認(rèn)為敏化態(tài)奧氏體不銹鋼在中性溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界Cl離子濃度為0.4mol/L[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

此次開裂失效豬尾管裂紋開裂機(jī)理為典型的敏化態(tài)奧氏體不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下，敏化態(tài)TP321H材料晶界沉淀相優(yōu)先發(fā)生溶解，形成微裂紋，隨著時(shí)間的推移，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致豬尾管開裂泄漏。為了保證制氫轉(zhuǎn)化爐的安全運(yùn)行，應(yīng)盡量避免超溫、超壓和頻繁開停車所造成的溫度與壓力劇烈波動(dòng)。

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