蔡剛毅，丁奪奎，唐夏燾，郭 穎，周翰卿

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3.中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316015）

管式加熱爐是加氫裂化裝置中的重要組成部分。管式加熱爐工作環(huán)境惡劣，在整個(gè)加熱過(guò)程中爐管長(zhǎng)期處于600～1 600℃的高溫，承受的熱負(fù)荷及溫差循環(huán)交替變化均較大，容易發(fā)生損傷，一旦發(fā)現(xiàn)異常需要及時(shí)分析原因并采取相應(yīng)的處理措施［1-3］。

1 加氫精制裝置加熱爐及爐管宏觀檢查

1.1 三合一加熱爐構(gòu)成

某石化企業(yè)加氫精制裝置三合一加熱爐構(gòu)成及煙氣管道系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。該加熱爐為組合式加熱爐，其主要設(shè)備為3個(gè)不同功能的加熱爐，分別是反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F2101、主汽提塔重沸爐F2102及分餾塔底重沸爐F2103，這3個(gè)加熱爐共用1套煙氣管道和1個(gè)對(duì)流室［4］。

圖1 加氫精制裝置三合一加熱爐構(gòu)成及煙氣管系統(tǒng)道布置示圖

該三合一加熱爐自2008年投用后一直未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的檢驗(yàn)和檢測(cè)，2018年停機(jī)檢修期間發(fā)現(xiàn)加熱爐F2101異常。

1.2 加熱爐爐管宏觀檢查

2018年停機(jī)檢修期間，發(fā)現(xiàn)加氫精制裝置三合一加熱爐中的反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F2101輻射段爐管異常。

按照工藝流程，此加熱爐歸屬于餾分油加氫單元，爐型為立管立式加熱爐，爐管材質(zhì)為T(mén)P321H，燃料種類為燃料氣，使用介質(zhì)為改質(zhì)原料油，進(jìn)口溫度為298.5～325.4℃，出口溫度為 340～398℃，進(jìn)口壓力為 10.2 MPa，出口壓力為9.4 MPa，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為15 MW。加熱爐F2101輻射段爐管分布及布置見(jiàn)圖2。

圖2 加熱爐F2101輻射段爐管分布及布置圖

加熱爐F2101爐管異常表現(xiàn)為，輻射段西22#爐管下半段位置較其他爐管顏色略暗，顏色異常部位錘擊發(fā)出悶聲，而其他部位為脆響。

2 加熱爐F2101爐管材料檢驗(yàn)檢測(cè)

2.1 硬度分析

對(duì)東、西22#爐管和東、西23#爐管進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，其中檢測(cè)位置表示為自下彎頭向上計(jì)量的爐管高度位置。

表1 部分爐管硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

從表1可知，西22#爐管自下彎頭向上5.2 m區(qū)域管材硬度較其他部位的稍高，為136 HB，其他爐管硬度值較穩(wěn)定，均保持在110 HB上下。西22#爐管異常情況構(gòu)成加氫裝置安全運(yùn)行隱患，有必要對(duì)加熱爐F2101西22#爐管下半段位置進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。

2.2 金相組織

宏觀檢驗(yàn)確定的西22#爐管下半段顏色異常管段在距下彎頭1.4 m區(qū)域。選取該區(qū)域東、西兩側(cè)爐管分別進(jìn)行金相組織檢測(cè)，觀察到的金相組織形貌見(jiàn)圖3～圖4。

圖3 西22#爐管距下彎頭1.4 m西側(cè)金相組織形貌（500×）

圖4 西22#爐管距下彎頭1.4 m東側(cè)金相組織形貌（500×）

圖3顯示的西22#爐管西側(cè)的金相組織基體主要為奧氏體，伴隨著孿晶組織［7］，顯示晶界較粗，晶界上分布著大量黑色點(diǎn)狀碳化物分布較密集，使得孿晶線模糊不清，同時(shí)各晶粒之間界限較模糊，由于各晶粒的位向不同，各晶粒截面受蝕程度不同，表現(xiàn)出不同色澤，奧氏體晶粒內(nèi)可見(jiàn)有滑移帶紋，表明試樣表面已有輕微的硬化現(xiàn)象。圖4所示的西22#爐管東側(cè)的金相組織顯示晶界相對(duì)淡而清晰，晶界上稀疏地分布著黑色點(diǎn)狀碳化物組織，相較圖3的黑色碳化物數(shù)量明顯減少，晶粒分布較為清晰，奧氏體晶粒內(nèi)有輕微滑移帶紋。晶粒之間的色澤稍有不同，但是總體來(lái)說(shuō)較為一致。

選取西23#爐管作為正常爐管代表，對(duì)其相應(yīng)管段區(qū)域和相應(yīng)方位爐管表面進(jìn)行金相組織檢測(cè)，觀察到的金相組織形貌見(jiàn)圖 5～圖 6［5-6］。

圖5 西23#爐管距下彎頭1.4 m西側(cè)金相組織形貌（500×）

圖6 西23#爐管距下彎頭1.4 m東側(cè)金相組織形貌（500×）

圖5、圖6所示的2個(gè)部位的金相組織形貌基本一致，金相組織基體均為孿晶奧氏體，晶界上未發(fā)現(xiàn)黑色點(diǎn)狀物體，晶界淡而清晰，晶粒辨識(shí)度較高，各晶粒之間界限清晰［8-9］。抽取多根其他爐管進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其金相組織特征與西23#爐管的狀況類似。

2.3 光譜檢測(cè)

對(duì)西22#爐管距下彎頭1.4 m處東側(cè)金相檢測(cè)位置進(jìn)行光譜檢測(cè)，同時(shí)對(duì)西23#爐管距下彎頭1.4 m處東側(cè)金相檢測(cè)位置進(jìn)行光譜檢測(cè)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 爐管主要元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2顯示，相比西23#爐管，西22#爐管的Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高，Cr元素、Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著降低。對(duì)其他爐管進(jìn)行抽查對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果均與西23#爐管一致。

2.4 鐵素體檢測(cè)

對(duì)西22#、西23#爐管進(jìn)行鐵素體檢測(cè)，西22#爐管距下彎頭1.4 m處東側(cè)金相檢測(cè)位置鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%，西23#爐管距下彎頭1.4 m處東側(cè)金相檢測(cè)位置鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%。

3 加熱爐F2101爐管異常原因分析

對(duì)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F2101爐管材料的金相組織觀察圖像顯示，晶界邊緣形成了大量的黑色物質(zhì)，分析認(rèn)為該物質(zhì)可能是析出的碳化物。根據(jù)ASTM A213/A213M—2018中的規(guī)定，TP321H材質(zhì)中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)為0.04%～0.10%，室溫下C元素在奧氏體中的溶解度遠(yuǎn)低于不銹鋼的實(shí)際含碳量，約為0.02%～0.03%，故過(guò)飽和的C元素被固溶在奧氏體中［10］。當(dāng)溫度超過(guò)425℃并在425～815℃停留一段時(shí)間時(shí)，過(guò)飽和的C元素就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，與Cr元素或Ni元素化合并存在于晶粒之間。Cr在晶粒內(nèi)擴(kuò)散的速度比沿晶界擴(kuò)散的速度小，內(nèi)部的Cr來(lái)不及向晶界擴(kuò)散，C在晶間化合所需的Cr主要來(lái)自晶界附近，使晶界附近的Cr含量大為減少［11］。

宏觀檢查中看到的爐管色澤暗淡以及錘擊聽(tīng)到的悶響也是爐管材料晶界中Cr元素不足的表現(xiàn)。晶界中，當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)就會(huì)形成貧Cr區(qū)，貧Cr區(qū)和晶粒的電化學(xué)性能差異在貧Cr區(qū)（陽(yáng)極）與處于鈍化狀態(tài)下的基體（陰極）之間構(gòu)成一個(gè)電位差很大的活化-鈍化電池，這個(gè)電池具有小陽(yáng)極與大陰極特點(diǎn)，會(huì)使貧Cr區(qū)晶界首先遭受腐蝕而被破壞，引起晶粒間的結(jié)合力顯著減弱，力學(xué)性能惡化，機(jī)械強(qiáng)度極大降低，但材料的變形卻不明顯［11-12］。在這種情況下，300系列不銹鋼晶粒之間喪失結(jié)合力，局部遭受破壞，可以觀察到金屬表面光澤變得暗淡。

鐵素體檢測(cè)顯示的西22#爐管鐵素體含量較正常狀態(tài)的西23#爐管鐵素體含量低，光譜分析顯示Cr、Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少較為明顯，這2種檢測(cè)結(jié)果與金相組織分析結(jié)果一致，是因?yàn)樘蓟镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)將部分Cr元素和Ni元素包含在內(nèi)了。

在工藝方面，爐管的劣質(zhì)化與爐管長(zhǎng)期在高溫下異常服役有關(guān)［13］。F2101是典型的石化企業(yè)長(zhǎng)周期運(yùn)行加熱爐，輻射段爐管內(nèi)介質(zhì)為改制原料油，西22#爐管位于輻射段出口，正常工況下?tīng)t管內(nèi)介質(zhì)溫度在340～398℃。審查設(shè)備資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，2017-04-17北面西側(cè)看火孔8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量的西22#爐管自下彎頭向上約半段爐管溫度為395.4～501.9℃，北面東側(cè)看火孔8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量的西22#爐管自下彎頭向上約半段爐管溫度為368.7～457.9℃，見(jiàn)圖7。類似運(yùn)行溫度超過(guò)正常工況溫度100～150℃的情況持續(xù)約2 a，爐管長(zhǎng)期服役在超過(guò)538℃的高溫環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致TP321H材質(zhì)析出σ相（金屬間化合物）。δ鐵素體是奧氏體不銹鋼在一次結(jié)晶過(guò)程中生成并保留至常溫的鐵素體，δ鐵素體可以極大改進(jìn)奧氏體不銹鋼的可焊接性，但是在超過(guò)538℃時(shí)，δ鐵素體會(huì)析出σ相，σ相為四方結(jié)晶構(gòu)造［14］，且富含 Cr元素，造成結(jié)晶周圍的貧 Cr狀態(tài)，引起金屬的脆化以及不銹鋼在脆化狀態(tài)下對(duì)晶間腐蝕更加敏感［15］。

圖7 2個(gè)看火孔的輻射段西22#爐管溫度測(cè)試結(jié)果

此外，爐管在正常溫度下服役時(shí)，金相組織一般不會(huì)發(fā)生其他變化，超過(guò)538℃時(shí)，δ鐵素體的析出程度會(huì)隨著溫度的升高而加劇［14］。西22#爐管東、西兩側(cè)均分布著燃燒器，爐管西面1.2 m為防火墻壁面，東側(cè)燃燒器火焰垂直向上，西側(cè)燃燒器垂直向上的火焰有部分被防火墻反射后作用于爐管表面，西22#爐管底部西側(cè)的溫度高于東側(cè)的溫度，因此該爐管金相組織中西側(cè)碳化物析出程度比東側(cè)嚴(yán)重。正常服役的西23#爐管金相組織東、西兩側(cè)無(wú)明顯異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某石化企業(yè)加氫裝置三合一加熱爐中反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F2101輻射段西22#爐管宏觀檢查和錘擊檢測(cè)的異常情況，采用多種分析檢測(cè)方法對(duì)缺陷爐管進(jìn)行材質(zhì)分析，并結(jié)合裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行綜合探討，認(rèn)為西22#爐管宏觀狀態(tài)變化和錘擊聲響異常的原因可能是長(zhǎng)期服役在超溫狀態(tài)下所致。長(zhǎng)期服役在超溫狀態(tài)下的爐管材質(zhì)劣化是一種非常危險(xiǎn)的損傷形態(tài)，建議企業(yè)更換含缺陷管段，新?lián)Q管段應(yīng)使用固溶化處理后的材質(zhì)，同時(shí)建議實(shí)時(shí)監(jiān)控爐管運(yùn)行溫度變化，一旦發(fā)生超溫現(xiàn)象及時(shí)尋找原因并解決超溫使用情況。