羅傳武

（中海石油建滔化工有限公司）

某公司日產(chǎn)2 000 t甲醇裝置采用德國(guó)LURGI公司低壓合成甲醇生產(chǎn)工藝，其中的高壓蒸汽過(guò)熱器（E-01009Ⅰ）由LURGI設(shè)計(jì)、ALSTOM制造，于2006年投用，設(shè)備采用立式管排布置、換熱管束采用8×52排列，在運(yùn)行過(guò)程中，高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）管束發(fā)生爆管現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了裝置的安全生產(chǎn)，筆者結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料和使用操作，分析了失效原因，并提出操作建議。

1 工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介

來(lái)自高壓汽包（F01001）約160 t/h蒸汽（壓力11.5 MPa，溫度321 ℃）流經(jīng)對(duì)流段盤(pán)管高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ），經(jīng)與轉(zhuǎn)化爐煙氣換熱后的過(guò)熱蒸汽（壓力11.4 MPa，溫度451 ℃）進(jìn)入高壓蒸汽過(guò)熱器高溫段（E01009Ⅱ），繼續(xù)與轉(zhuǎn)化煙氣換熱后為過(guò)熱高壓蒸汽（壓力10.9 MPa，溫度503 ℃）； 來(lái)自于高壓蒸汽過(guò)熱器高溫段（E01009Ⅱ）、天然氣和蒸汽加熱器高溫段（E010010Ⅱ）等煙氣經(jīng)高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）冷卻到798 ℃（圖1），最后經(jīng)后續(xù)盤(pán)管設(shè)備冷卻到150 ℃，由煙囪（S-01001）排放到大氣。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）設(shè)計(jì)壓力12.5 MPa，試驗(yàn)壓力18.75 MPa，盤(pán)管腐蝕裕度1.5 mm，由8排、52列、間距150 mm、長(zhǎng)7 211 mm、規(guī)格φ42.16 mm×4.85 mm 的光管構(gòu)成， 換 熱面積為353 m2， 材料為SA213 T12， 材料性能見(jiàn)表1。

表1 SA213 T12材料性能

2 問(wèn)題描述

某年月14日23:42，日產(chǎn)2 000 t甲醇裝置在無(wú)任何異常工況和報(bào)警信息的情況下，突然觸發(fā)轉(zhuǎn)化爐爐膛負(fù)壓PSHH010409聯(lián)鎖， 操作按緊急停車(chē)處理。 隨后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，通過(guò)聽(tīng)棒發(fā)現(xiàn)對(duì)流段高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）盤(pán)管處有“呲呲”的異響聲，前后兩組盤(pán)管E010010Ⅱ、E010010Ⅰ異響聲逐漸變小， 判斷E01009Ⅰ可能存在爆管導(dǎo)致蒸汽泄漏；轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段隔離降溫合格后， 同月16日11:00對(duì)流段盤(pán)管聯(lián)合檢查，發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽過(guò)熱器E-01009Ⅰ北數(shù)第2排、東數(shù)第20列盤(pán)管距離地面約4 m位置出現(xiàn)爆管。

3 原因分析

3.1 工藝操作運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

高壓蒸汽過(guò)熱器E-01009Ⅰ在開(kāi)車(chē)過(guò)程中集氣管出口溫度最高為458.13 ℃（圖2）， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為3.988 2 MPa（設(shè)計(jì)溫度為451 ℃，操作溫度為435 ℃；設(shè)計(jì)壓力為12.5 MPa，操作壓力為11.4 MPa），超過(guò)設(shè)計(jì)溫度時(shí)長(zhǎng)約6 min（21:50～21:56）（圖3、4）。 盤(pán)管管束溫度和壓力無(wú)在線監(jiān)測(cè)，其設(shè)計(jì)溫度為494 ℃，最大操作溫度為435 ℃；設(shè)計(jì)壓力為12.5 MPa，最大操作壓力11.4 MPa。經(jīng)查歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)每次裝置開(kāi)停車(chē)該組盤(pán)管都存在短期的超溫情況。

圖3 集氣管出口升溫圖

圖4 集氣管出口降溫圖3.2 爆管管束材料化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》， 爆管管束的材料化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2， 表明現(xiàn)場(chǎng)爆管管束材料與原設(shè)計(jì)材料相符， 管材具體牌號(hào)為ASME BPVII A 2019 SA213 T12。

表2 爆管管束材料化學(xué)成分分析 wt%

3.3 爆管管束裂口宏觀檢查

由爆管管束的裂口宏觀形貌 （圖5） 可以看出，在爆管時(shí)形成了一個(gè)長(zhǎng)約80 mm、呈薄唇型口狀的裂口，爆裂面粗糙且不規(guī)則、不平齊，并有許多肉眼可見(jiàn)的縱向裂紋。 同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在未開(kāi)裂區(qū)域表面存在大量的未貫穿的縱向裂紋（圖6）。 由此初步判斷爆管源自表面裂紋。

圖5 裂口宏觀形貌圖

圖6 未貫穿縱向裂紋

3.4 金相組織觀察

從爆管管束裂口處的金相組織（圖7）可以看出，細(xì)小裂紋沿晶界擴(kuò)展，裂紋有分叉跡象且尖端圓滑，組織為鐵素體+珠光體，且珠光體完全球化，依據(jù)DLT 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》， 判定球化級(jí)別為5級(jí)， 晶粒度8級(jí)。

圖7 爆管管束裂口處的金相組織

從爆管管束沿壁厚方向取樣不同位置的金相顯微組織（圖8）可知，爆管管束壁厚從里到外取樣金相組織都有不同程度的球化傾向。

圖8 裂口金相

從爆管盤(pán)管距裂口處沿管子上、 下各1 m處的金相顯微組織（圖9）可知，組織為鐵素體+珠光體，且珠光體完全球化，球化級(jí)別為5級(jí)，晶粒度8級(jí)。

圖9 爆管盤(pán)管距裂口處沿管子上、下各1 m處的金相顯微組織

為比對(duì)分析盤(pán)管管束爆裂原因，取樣E01009Ⅰ未發(fā)生爆裂盤(pán)管管束高溫側(cè)3處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相覆膜檢測(cè)。 如圖10所示可知，組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度8～9級(jí)，微觀組織正常，晶粒未出現(xiàn) 粗化現(xiàn)象。

圖10 未發(fā)生爆裂盤(pán)管管束高溫側(cè)金相顯微組織

3.5 裂口附近管束截面微觀形貌

裂口附近管束內(nèi)外壁微觀形貌如圖11 所示。 由圖可見(jiàn)，裂口附近管束內(nèi)外壁均存在氧化層。

圖11 裂口附近管束內(nèi)外壁微觀形貌

3.6 裂口附近管束截面元素能譜分析

3.6.1 裂口內(nèi)壁夾雜元素能譜分析

裂口內(nèi)壁中氧化層元素能譜分析結(jié)果如圖12所示，結(jié)果表明，裂口內(nèi)壁氧化層中有硫元素、氯元素。

圖12 爆口內(nèi)壁氧化層能譜分析及位置

3.6.2 裂口外壁夾雜元素能譜分析

裂口外壁中氧化層元素能譜分析結(jié)果如圖13所示， 結(jié)果表明, 裂口外壁氧化層中有硫元素。

圖13 爆口外壁取樣氧化層能譜分析及位置

3.7 力學(xué)性能測(cè)試

在距裂口約500 mm處（不存在表面裂紋）和裂口附件取樣，測(cè)定爆管管束的力學(xué)性能（表3），爆管盤(pán)管管束的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值，屈服強(qiáng)度和斷后延伸率符合標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)果分析

工藝數(shù)據(jù)分析表明，高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）出口集氣管超溫23.13 ℃，超溫率達(dá)5.3%， 因此雖然溫度和壓力無(wú)在線監(jiān)測(cè)顯示，但從集氣管出口溫度可以判定盤(pán)管管束也嚴(yán)重超溫，由表1可知，隨著溫度的升高許用應(yīng)力急劇下降，多次累積超溫導(dǎo)致材料機(jī)械性能下降。

材料化學(xué)成分分析結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)爆管管束材料與原設(shè)計(jì)材料相符。

宏觀檢查表明，盤(pán)管管束裂口處存在顯著塑性變形和唇型裂口，為韌性開(kāi)裂典型形貌。

金相檢查表明，爆管盤(pán)管管束金相組織沿壁厚方向從里到外、 及裂口上下游各1 m處均發(fā)生珠光體球化劣化，球化程度達(dá)到5級(jí)；而對(duì)比抽檢的未爆管管束的金相組織正常，也未出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象。 在珠光體球化過(guò)程中，盤(pán)管管束母材中的碳化物和合金元素向晶界等高能量區(qū)域遷移，導(dǎo)致大量碳化物的析出和聚集，并呈鏈狀分布和碳化物的球化現(xiàn)象，導(dǎo)致母材強(qiáng)度降低。

爆管管束裂口附件管束微觀形貌及元素能譜分析表明，內(nèi)、外壁均存在氧化層，且內(nèi)壁氧化層發(fā)現(xiàn)有害元素硫、氯，外壁氧化層發(fā)現(xiàn)有害元素硫。

力學(xué)性能測(cè)試表明， 材料的抗拉強(qiáng)度降低，屈服強(qiáng)度和延伸率滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，由于盤(pán)管管束材料為SA213 T12， 而許用應(yīng)力強(qiáng)度取決于抗拉強(qiáng)度，所以抗拉強(qiáng)度的降低是導(dǎo)致盤(pán)管管束在非正常的操作工況下發(fā)生韌性斷裂的直接原因。

總結(jié)上述分析結(jié)果可以判定，盤(pán)管爆管管束開(kāi)裂的原因?yàn)楸P(pán)管管束因多次開(kāi)停車(chē)超溫累積效果而導(dǎo)致材料金相微觀組織變化——球化劣化，球化程度達(dá)到5級(jí)，材料抗拉強(qiáng)度下降，加之在管束內(nèi)外壁有害元素的作用下，在材料的相對(duì)薄弱處（結(jié)構(gòu)缺陷或壁厚不均部位）產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致盤(pán)管管束韌性斷裂。

5 建議

5.1 建議排查S、P、Cl等有害元素的來(lái)源，嚴(yán)格控制脫鹽水、蒸汽冷凝液和蒸汽品質(zhì)，從源頭上保證材料的各項(xiàng)性能，防止有害元素侵蝕盤(pán)管管束材料。

5.2 由于開(kāi)車(chē)初期高壓汽包（F01001）產(chǎn)蒸汽量不足，為避免高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）盤(pán)管管束出現(xiàn)局部超溫，建議進(jìn)行技術(shù)改造，如：將開(kāi)工快裝鍋爐的高壓蒸汽引入高壓汽包。

5.3 由于盤(pán)管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、 管束彎頭位置受限，無(wú)法檢測(cè)，但每次停車(chē)檢修期間均需對(duì)高壓蒸汽過(guò)熱器低溫段（E01009Ⅰ）外部?jī)膳帕泄苓M(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（測(cè)厚、金相、硬度等）。

5.4 如再次發(fā)生爆管，應(yīng)對(duì)連接進(jìn)出口集合管的整組盤(pán)管，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)校核。