賴朝喜(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

某煉油廠8萬(wàn)方制氫裝置采用TP公司的工藝包，轉(zhuǎn)化爐為頂燒式燃燒器，催化劑管為單排雙面輻射式，采用熱底式上下豬尾管連接。催化劑管和出口熱壁管設(shè)計(jì)壓力3.4MPa，設(shè)計(jì)溫度960℃，其中催化劑管共252根，材質(zhì)25Cr35NiNb，內(nèi)徑Φ110mm，壁管厚度14mm；出口熱壁管6根，材質(zhì)20Cr33NiNb，內(nèi)徑Φ160mm。

1 出口熱壁管焊縫裂紋失效分析

1.1 焊縫裂紋位置確定

某日，發(fā)現(xiàn)第4根出口熱壁管管箱有熱斑，停工后打開(kāi)所有熱壁管管箱，發(fā)現(xiàn)第1和4根熱壁管各兩處焊縫有裂紋，第3根熱壁管一處焊縫有裂紋，6根熱電偶套管焊縫均有裂紋，具體位置和裂紋外觀如圖1所示。

圖1 開(kāi)裂的熱壁管

圖2 熱電偶焊縫裂紋位置

1.2 失效原因分析

(1)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)熱電偶套管有明顯的彎曲變形，說(shuō)明熱壁管在高溫運(yùn)行期間，延軸向發(fā)生熱膨脹，熱電偶套管隨熱壁管的熱膨脹移動(dòng)，而熱電偶套管穿出爐體鋼結(jié)構(gòu)，受到爐體的限位，熱電偶套管發(fā)生彎曲變形，熱電偶套管與熱壁管焊接的焊縫存在較大外應(yīng)力，是熱電偶套管焊縫產(chǎn)生裂紋的主要原因，如圖2所示。

(2)如圖3所示，熱壁管的固定支撐有6個(gè)管箍，上下兩半抱卡形式。6個(gè)管箍均存在明顯受力變形嚴(yán)重的情況，說(shuō)明熱壁管在高溫運(yùn)行時(shí)，管箍限制了熱壁管的自由熱膨脹，導(dǎo)致熱壁管中部五通的焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是熱壁管五通焊縫出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

圖3 熱壁管三通焊縫裂紋位置及管卡固定位置

(3)熱壁管出現(xiàn)失效前，曾在40%的設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行，存在嚴(yán)重偏流，以及熱壁管箱體蓋板塌陷嚴(yán)重，起不到隔離輻射熱的作用，熱壁管在運(yùn)行過(guò)程中暴露在熱輻射中，超溫運(yùn)行，熱變形量超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期，固定管箍限制熱變形量的自由膨脹，在第4根熱壁管上特別明顯。

1.3 整改措施

(1)每根熱壁管去掉四個(gè)管箍，保留兩個(gè)，降低管箍對(duì)熱壁管熱膨脹量的限制。

(2)熱壁箱體蓋板加50mm厚的陶纖氈隔離輻射熱，避免蓋板變形塌陷。

(3)將熱壁管中間與冷壁管連接的五通更換為七通，增加兩焊縫間的距離，使焊縫避開(kāi)應(yīng)力集中部位，增加七通的壁厚提高承受應(yīng)力的強(qiáng)度。

2 催化劑管開(kāi)裂失效分析

2.1 開(kāi)裂失效的情況確定

熱壁管焊縫裂紋修復(fù)完畢運(yùn)行半年后，因其它原因停工后重新開(kāi)工，裝置進(jìn)行氣密試壓階段，發(fā)現(xiàn)第1排催化劑管第12根爐頂往下3米處開(kāi)裂，開(kāi)裂長(zhǎng)度1.83米。

2.2 開(kāi)裂失效的原因分析

2.2.1 微觀分析

開(kāi)裂部位沿徑向截面取樣，拋光、腐蝕后進(jìn)行50倍顯微放大，可明顯看到3個(gè)不同組織，如圖4。分別對(duì)3個(gè)區(qū)域進(jìn)一步放大進(jìn)行微觀金相組織觀察，可以觀察到完全不同的組織。

圖4 50倍組織形貌

圖5 區(qū)域1微觀金相組織

區(qū)域1的微觀金相如圖5所示，該區(qū)域內(nèi)的碳化物已經(jīng)完全分解，在奧氏體晶界上存在大量的空洞，枝晶已經(jīng)完全消失，可以判斷出現(xiàn)過(guò)局部高溫，此種現(xiàn)象可能是由于轉(zhuǎn)化催化劑中毒或催化劑積碳造成的。

區(qū)域2的微觀金相組織如圖6所示，其中a)靠近1區(qū)域，b)靠近3區(qū)域?？拷?區(qū)域的晶界碳化物已為網(wǎng)狀或鏈狀，但也存在大量碳化物，部分已變成塊狀。在靠近3區(qū)域內(nèi)的碳化物中存在大量粗大的二次碳化物。

圖6 區(qū)域2微觀金相組織

區(qū)域3的微觀金相如圖7所示，該區(qū)域內(nèi)的晶界碳化物雖然呈枝晶狀，但也已開(kāi)始破斷網(wǎng)狀化，開(kāi)始變粗大，晶內(nèi)碳化物彌散分布在奧氏體基體中。

圖7 區(qū)域3微觀金相組織

為了準(zhǔn)確判斷催化劑管開(kāi)裂原因，又分別對(duì)催化劑管開(kāi)裂部位上方、背側(cè)及爐膛外管進(jìn)行了微觀取樣分析。圖8為開(kāi)裂部位上方的微觀晶相組織，發(fā)現(xiàn)該部位金相組織存在三個(gè)區(qū)域，沿徑向方向由內(nèi)向外分成滲碳層、等軸晶區(qū)、枝晶區(qū)(外側(cè)沿徑向生長(zhǎng))，其中等軸晶區(qū)和枝晶區(qū)為催化劑管制造過(guò)程中產(chǎn)生的晶相組織，枝晶區(qū)的奧氏體共晶碳化物呈骨骼狀分布，等軸晶區(qū)共晶碳化物呈鏈狀分布，且碳化物已明顯的分解情況，分布于奧氏體晶粒內(nèi)。開(kāi)裂部位背側(cè)的微觀金相組織與圖12類同，無(wú)區(qū)別。

圖8 開(kāi)裂部位上方的微觀組織

圖9為開(kāi)裂催化劑管在爐膛外部分的枝晶區(qū)、等軸晶區(qū)，發(fā)現(xiàn)該部位金相組織沿徑向由里向外同樣存在三個(gè)金相區(qū)域，滲碳層、等軸晶區(qū)、枝晶區(qū)，但晶區(qū)間的共晶碳化物無(wú)分解情況，與爐膛內(nèi)催化劑管的枝晶區(qū)、等軸晶區(qū)的微觀組織存在明顯的區(qū)別。

通過(guò)以上金相微觀分析，開(kāi)裂部位周圍的共晶碳化物已完全呈島狀和鏈狀分布，但開(kāi)裂部位的共晶碳化物已完全分解，在原奧氏體晶界間存在大量空洞，枝晶已消失。另外依據(jù)API571,FeNi基合金在高碳活性環(huán)境中可分解成石墨和鐵的顆粒，所以可以判斷該部位碳化嚴(yán)重，且滲碳區(qū)沿徑向由里向外移動(dòng)，而導(dǎo)致催化劑管壁厚減薄，管材塑性降低，不能承受催化劑管溫度的快速變化，最終導(dǎo)致催化劑管開(kāi)裂。

圖9 開(kāi)裂催化劑管在爐膛外部分的微觀組織

2.2.2 硬度檢驗(yàn)分析

對(duì)開(kāi)裂催化劑管的不同部位進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，具體測(cè)試部位和結(jié)果，如圖10所示。爐膛外部催化劑管的硬度值無(wú)明顯變化，為200～230HV10，開(kāi)裂部位附近的硬度值明顯高于其它部位，尤其是距內(nèi)壁1mm處的硬度高達(dá)435HV10，顯著高于運(yùn)行過(guò)程中碳化物轉(zhuǎn)變引起的硬度升高，另外根據(jù)輻射管的工作原理，外壁溫度高于內(nèi)壁溫度，碳化物的轉(zhuǎn)變應(yīng)該更劇烈，但實(shí)際結(jié)果相反，據(jù)此可以判斷該部分發(fā)生了局部滲碳，導(dǎo)致硬度發(fā)生顯著提高。

圖10 開(kāi)裂催化劑管不同部位管壁截面的硬度分布

3 結(jié)論

(1)熱壁管焊縫開(kāi)裂主要與管壁溫度過(guò)高和應(yīng)力集中有關(guān)。

(2)催化劑管開(kāi)裂主要與管道局部滲碳有關(guān)，造成材料的塑性降低。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)優(yōu)化工藝調(diào)節(jié)，減少裝置的開(kāi)停工次數(shù)，防止轉(zhuǎn)化爐操作溫度大幅波動(dòng)，造成局部過(guò)熱。

(2)定期使用紅外線測(cè)溫儀檢測(cè)爐管表面溫度，檢查爐管有無(wú)過(guò)熱點(diǎn)、過(guò)熱區(qū)。

(3)在轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷發(fā)生急劇變化時(shí)，重點(diǎn)檢測(cè)冷壁管、熱壁管、進(jìn)出口集合管及豬尾管支吊架的運(yùn)行情況，確認(rèn)各部位的膨脹、收縮是否正常。