劉 洋，白繼昭，郭保宏，喬振瑞

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）油煤新技術(shù)開發(fā)公司，陜西榆林 718500）

1 裝置及轉(zhuǎn)化爐

陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)煤油共煉試驗(yàn)示范項(xiàng)目是延長(zhǎng)集團(tuán)籌建的全球首個(gè)工業(yè)化示范項(xiàng)目，其中配套有制氫裝置，為煤油共煉加氫裝置提供原料氫氣。制氫裝置以天然氣與脫硫干氣為原料，采用一段轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA提氫的工藝。制氫轉(zhuǎn)化爐由中國(guó)成達(dá)工程有限公司設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式為頂燒方箱式蒸汽轉(zhuǎn)化爐，設(shè)計(jì)輻射段總熱負(fù)荷88.21 MW。設(shè)計(jì)爐管規(guī)格為，共192根，分4排布置，爐內(nèi)有效長(zhǎng)度L=12 200 mm，材料為HP-Nb-mod離心鑄造管，由青島新力通有限公司制造。爐膛外爐管延伸段長(zhǎng)1.3 m，材料為TP304H。轉(zhuǎn)化入口設(shè)計(jì)溫度610，出口860，設(shè)計(jì)入口壓力3.48 MPa，出口壓力3.18 MPa，設(shè)計(jì)工藝介質(zhì)為天然氣、脫硫干氣、水蒸氣。

2016年12月，轉(zhuǎn)化爐北側(cè)第一排東第一根爐管延伸段吊耳以下部位發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋，工藝氣體外泄。一周后，北側(cè)第二排東第一根爐管泄漏，情況與第一根爐管相似。2017年1月爐頂南側(cè)第一排東第二根爐管在相同部位再次發(fā)生泄漏，此根爐管陸續(xù)在初次泄漏部位上下發(fā)現(xiàn)多處裂紋。裝置于2017年2月停工整改。

裂紋位于爐膛外延伸段支耳管下方15 mm處母材上（圖1），為橫向裂紋，長(zhǎng)度約10 mm，延伸管下部從爐頂至上豬尾管加強(qiáng)管上沿處有保溫，上部無保溫。制氫裝置于2014年10月開工，截止2017年2月，期間開工7次，累計(jì)運(yùn)行510 d。裝置運(yùn)行以來進(jìn)料介質(zhì)為天然氣與水蒸氣，轉(zhuǎn)化入口操作溫度（5955），出口操作溫度（8058），入口操作壓力2.9 MPa，出口操作壓力2.7 MPa，裝置負(fù)荷一直維持60%，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)Cl及S均未檢出，可排除操作異常及腐蝕原因。

圖1 開裂管裂紋位置

3 理化檢試驗(yàn)

裝置停工后，分別對(duì)2根未開裂延伸管及2根開裂延伸管的裂紋部位及遠(yuǎn)離裂紋部位取樣，進(jìn)行外觀檢查、理化分析及性能試驗(yàn)，取樣部位如圖2所示。

圖2 延伸管取樣示位置

3.1 外觀情況

圖3 延伸管內(nèi)壁裂紋形態(tài)

3.2 化學(xué)成分分析

分別對(duì)未開裂和開裂延伸管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析（表1），2件試樣主要元素含量滿足ASME SA213對(duì)TP304H材料要求。

表1 化學(xué)成分分析 %

3.3 常溫拉伸試驗(yàn)

分別對(duì)未開裂延伸管及未開裂延伸管的裂紋部位及遠(yuǎn)離裂紋部位取樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，各試樣滿足ASME SA213對(duì)TP304H材料的要求。

3.4 硬度試驗(yàn)

分別對(duì)未開裂延伸管及未開裂延伸管裂紋部位及遠(yuǎn)離裂紋部位取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，各試樣滿足ASME SA213對(duì)TP304H材料的要求。

3.5 金相觀察

分別對(duì)未開裂延伸管及未開裂延伸管的裂紋部位及遠(yuǎn)離裂紋部位取樣進(jìn)行金相觀察，組織均為奧氏體，晶粒度約為4級(jí)，見圖4。各試樣能滿足ASME SA213對(duì)TP304H材料的要求，

圖4 延伸管顯微組織

對(duì)開裂延伸管裂紋情況進(jìn)行光學(xué)/電子金相觀察和微區(qū)能譜分析，開裂延伸管裂紋垂直于內(nèi)壁，從內(nèi)壁起裂，以穿晶方式向外壁擴(kuò)展，裂紋分支較少，沿開編縫隙邊緣有氧化物附著，主要為氧化鐵、氧化鉻和氧化硅，在主裂紋附近有數(shù)條垂直于內(nèi)壁的小裂紋。見圖5。

圖5 開裂延伸管金相觀察

將開裂延伸管裂紋打開，進(jìn)行斷口形貌觀察和微區(qū)能譜分析，裂紋從內(nèi)壁起裂，為多源起裂，斷口表面覆蓋大量氧化物，主要為氧化鐵和氧化鉻。見圖6。

清洗斷口并觀察斷口形貌，從宏觀照片和電子金相照片均可觀察到幼小、基本相互平行的局部裂紋，擴(kuò)展方向相垂直，為典型的疲勞裂紋特征，表明試樣發(fā)生疲勞損傷。見圖7。

圖6 斷口原始形貌

圖7 清洗后斷口形貌

4 爐管開裂原因分析

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，開裂和未開裂延伸管的化學(xué)成分、常溫拉伸、硬度、晶粒度均滿足ASME SA213對(duì)TP304H材料的要求，說明爐管的材料成分與性能符合要求。

圖8 爐管開裂區(qū)域裂紋成因分析

開裂延伸管裂紋主要特征：內(nèi)壁裂紋呈龜裂狀，裂紋垂直于內(nèi)壁，以穿晶形式由內(nèi)壁向外壁 擴(kuò)展，斷口具有疲勞特征，多源起裂，裂紋縫隙邊緣有氧化物，開裂特征符合熱疲勞損傷特征。該延伸管開裂部位均位于內(nèi)保溫盒底面至外部未保溫區(qū)域的交界處，在運(yùn)行過程中實(shí)測(cè)（圖8），上部法蘭溫度（100～140）℃，下部保溫區(qū)域溫度約600℃，開裂部位附近爐管管壁溫度（200～240）℃，內(nèi)部保溫盒與延伸管內(nèi)壁間有1 mm左右的間隙，天然氣和水蒸汽介質(zhì)可延著間隙進(jìn)入延伸管上部。轉(zhuǎn)化操作壓力（2.79～3.2）MPa，該壓力下水蒸汽的露點(diǎn)溫度為（220～230）℃。當(dāng)天然氣和水蒸汽介質(zhì)延著間隙進(jìn)入延伸管上部時(shí)，溫度越來越低，降到水蒸汽的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸汽即開始冷凝液化，液化水滴沿管壁流至開裂部位附近再次蒸發(fā)產(chǎn)生較大的溫度變化，產(chǎn)生熱應(yīng)力。裝置運(yùn)行期間，水蒸汽的液化和氣化過程在開裂部位附近持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生交變應(yīng)力，支耳管焊縫下部、延伸管保溫區(qū)和未保溫區(qū)交界處部位的熱應(yīng)力最大，隨著時(shí)間的推移，此部位即發(fā)生熱疲勞開裂。

5 處理措施

5.1 爐管材料的選用

分別對(duì)未開裂延伸管及開裂延伸管多處取樣進(jìn)行晶間腐蝕敏感性試驗(yàn)，多組試樣晶粒均嚴(yán)重脫落，經(jīng)彎曲試驗(yàn)部位晶粒脫落明顯、厚度減薄，表明取樣部位延伸管已發(fā)生嚴(yán)重敏化，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。材料敏化雖與此次爐管開裂無直接關(guān)系，但為保證爐管后續(xù)安全運(yùn)行，對(duì)爐管延伸段進(jìn)行更換，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工、焊接等多方面因素，此次延伸段更換為與主體相同材料，HP-Nb-mod離心鑄造管。

5.2 改變保溫結(jié)構(gòu)

將外部保溫由原設(shè)計(jì)提高至上法蘭以下，將內(nèi)保溫盒底部延至上豬尾管上沿處，使內(nèi)部介質(zhì)溫度遠(yuǎn)高于操作壓力條件下蒸汽的露點(diǎn)溫度，避免出現(xiàn)凝結(jié)水滴造成交變應(yīng)力導(dǎo)致開裂。

6 效果驗(yàn)證

爐管延伸段材料更換后，裝置于2017年8月底開工運(yùn)行，至2018年6月停工，運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)爐管裂紋問題。停工后，對(duì)對(duì)接焊縫及此前裂紋區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有裂紋情況。

圖9 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

通過一系列處置，避免了在爐管內(nèi)低溫區(qū)產(chǎn)生凝結(jié)水，消除交變應(yīng)力環(huán)境，經(jīng)10個(gè)月的運(yùn)行周期驗(yàn)證，證實(shí)對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因分析正確，處置措施得當(dāng)，制氫轉(zhuǎn)化爐管延伸段母材因交變應(yīng)力產(chǎn)生疲勞裂紋的問題得到了解決。