趙進(jìn)成,童元梁,楊旭東,黃超鵬
(1.中國(guó)石油玉門油田公司,甘肅 酒泉 735200;2.上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)有限公司,上海 200000)
某制氫裝置轉(zhuǎn)化爐于2014年10月投用,2019年5月檢查發(fā)現(xiàn)有1根延伸段爐管存在裂紋,其工作溫度為460 ℃,材質(zhì)為SA-312 TP304H,對(duì)其進(jìn)行打磨時(shí)發(fā)現(xiàn)該裂紋為穿透性裂紋,這將會(huì)造成爐管內(nèi)介質(zhì)泄漏,給制氫裝置的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。另外,在裝置停工檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)還有5根爐管焊縫也存在裂紋缺陷。為了防止裂紋缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大,保證設(shè)備的安全生產(chǎn),有必要對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行失效分析,并提出相應(yīng)的整改措施。
轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的核心設(shè)備,爐管內(nèi)裝有催化劑,介質(zhì)通過(guò)爐管被加熱,同時(shí)又進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[1-2]。該裝置轉(zhuǎn)化爐采用頂燒單排管雙面輻射爐型,主要由輻射室、對(duì)流室和煙囪組成,共有爐管96根,分四排布置。轉(zhuǎn)化爐爐管采用頂部吊掛、下部支撐的結(jié)構(gòu)形式,其上部通過(guò)上豬尾管與進(jìn)口集合管相連,下部為內(nèi)襯管,與冷壁分集氣管相連;四根分集氣管在末端匯合進(jìn)入冷壁總集氣管與轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐相連;上豬尾管、上集合管、原料氣總管均采用恒力彈簧吊架支撐。
1.2.1 爐管主要參數(shù)
制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管有效長(zhǎng)度為12 000 mm,其頂部采用內(nèi)插式保溫結(jié)構(gòu),輻射段爐管規(guī)格為φ131 mm×14 mm,材質(zhì)為ZG45Ni35Cr25NbM;延伸段爐管規(guī)格為φ127 mm×12 mm,材質(zhì)為SA-312 TP304H。轉(zhuǎn)化爐爐管主要參數(shù)見表1。
表1 轉(zhuǎn)化爐爐管主要參數(shù)
1.2.2 爐管裂紋缺陷部位
延伸段爐管存在裂紋缺陷,具體位置見圖1。
圖1 爐管裂紋缺陷部位
為進(jìn)一步確認(rèn)爐管焊縫泄漏原因、排查爐管各部位隱患情況,在2019年裝置停工大檢修期間,委托專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè),全面排查爐管使用狀況,并評(píng)估其安全等級(jí)。
2019年8月8日至8月15日,委托專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐輻射段爐管、延伸段爐管、上豬尾管和下集合管進(jìn)行了全面檢測(cè)。
2.1.1 宏觀檢查
對(duì)96根輻射段爐管進(jìn)行宏觀檢查,未見明顯腐蝕;爐管表面呈褐色,未見楊梅粒子脫落現(xiàn)象,部分爐管表面還附著白色涂料。
2.1.2 爐管蠕脹測(cè)定
根據(jù)輻射爐的爐型特點(diǎn),以爐膛頂部為起點(diǎn),每根爐管往下測(cè)5個(gè)截面,每個(gè)截面測(cè)3點(diǎn),即每根爐管測(cè)15個(gè)數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)定,輻射段爐管蠕脹測(cè)量值為130.6~132.6 mm,未見明顯異常。
2.1.3 金相檢測(cè)
選取輻射段爐管迎火面母材及焊縫作為檢測(cè)區(qū)域,檢測(cè)結(jié)果表明:在母材金相顯微組織中,一次共晶碳化物大部分沿晶界呈網(wǎng)狀分布,個(gè)別呈條狀或塊狀分布,有粗化趨勢(shì);二次碳化物在晶內(nèi)呈彌散分布,有合并趨勢(shì),并在晶界聚集。焊縫金相組織為共晶碳化物,沿晶界呈條狀和網(wǎng)狀分布,未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,金相組織正常。
2.1.4 超聲波檢測(cè)
對(duì)延伸段96根爐管母材進(jìn)行手動(dòng)超聲波檢測(cè),發(fā)現(xiàn)有6根爐管存在裂紋缺陷。
2.2.1 滲透檢測(cè)
分別對(duì)上豬尾管與爐管之間的加強(qiáng)接頭對(duì)接焊縫、上法蘭與爐管之間的對(duì)接焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,檢測(cè)合格。
2.2.2 超聲波測(cè)厚
對(duì)上豬尾管進(jìn)行超聲波測(cè)厚,測(cè)厚數(shù)據(jù)為 3.5~3.9 mm,屬正常范圍。
2.2.3 硬度測(cè)定
對(duì)大小頭母材、焊縫、熱影響區(qū)和豬尾管母材等部位進(jìn)行硬度測(cè)定,每個(gè)部位測(cè)3個(gè)數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,各部位硬度值正常,其中大小頭硬度值為160~180 HB;豬尾管硬度值為130~150 HB。
2.2.4 射線檢測(cè)
對(duì)存在裂紋缺陷的延伸段爐管樣品進(jìn)行失效分析。
對(duì)樣品內(nèi)壁進(jìn)行滲透檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其表面存在大量樹枝狀裂紋,其形貌見圖2。
圖2 樣品內(nèi)壁滲透檢測(cè)結(jié)果
采用原子發(fā)射光譜法對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果表明,其材質(zhì)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
以樣品的縱截面作為檢驗(yàn)面進(jìn)行金相組織分析,結(jié)果表明,母材金相組織為奧氏體,局部存在敏化現(xiàn)象;母材及焊縫處均存在穿晶裂紋,裂紋源自內(nèi)壁,呈樹枝狀,且裂紋部位存在形變馬氏體和孿晶組織,但未見明顯敏化現(xiàn)象[3]。
對(duì)樣品進(jìn)行硬度測(cè)定,結(jié)果表明,母材硬度與焊縫硬度接近。
3.5.1 宏觀形貌分析
高潮就耐著性子,向馮可兒解釋。馮可兒一聽,也來(lái)了精神,說(shuō),我靠,“十大本土最具發(fā)展?jié)摿Ψ康禺a(chǎn)企業(yè)”的評(píng)選,現(xiàn)在已經(jīng)網(wǎng)羅到九家,就差他媽一家了,搞得老娘天天焦頭爛額的。你小子雪中送炭啊,事兒辦成了,老娘以身相許給你丫的。
斷口宏觀形貌見圖3。從圖3來(lái)看,斷裂面呈扇形,斷口表面平齊,為灰黑色,呈現(xiàn)“貝殼”狀紋理。
圖3 斷口宏觀形貌
3.5.2 微觀形貌分析
在裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及裂紋尖端均可見大量的貝紋線,如圖4至圖6所示。斷口表面可見河流狀花樣、解理面和解理臺(tái)階,呈疲勞斷口和解理斷口特征,且斷口表面存在大量顆粒狀高溫氧化物,其微觀形貌見圖7。
圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌(×4 550)
圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌(×2 410)
圖6 裂紋尖端微觀形貌(×6 250)
圖7 斷口表面微觀形貌(×4 010)
爐管內(nèi)壁可見多條平直的微裂紋,均沿著爐管內(nèi)壁的加工紋理分布,同時(shí)爐管內(nèi)壁存在大量顆粒狀高溫氧化物,其微觀形貌見圖8。
圖8 爐管內(nèi)壁微觀形貌(×1 950)
采用掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜儀對(duì)裂紋內(nèi)部產(chǎn)物進(jìn)行成分分析,結(jié)果表明:裂紋內(nèi)部存在兩種物質(zhì),其中一種物質(zhì)為致密的氧化物顆粒,主要由Fe,O,Cr,Ni,Mn和Si元素組成;另一種物質(zhì)位于裂紋中心部位, 主要含有Fe,O,Cr,Ni,Mn和Si元素,還含有少量的Na,Ca,Mg,S和Cl元素,這些元素來(lái)源于腐蝕性介質(zhì)[4]。
檢測(cè)結(jié)果表明:
(1)爐管材質(zhì)化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)爐管母材金相組織為奧氏體,局部存在晶界析出相,裂紋源區(qū)金相組織中存在形變馬氏體和孿晶組織,焊縫金相組織為奧氏體+鐵素體。
(3)裂紋起源于爐管內(nèi)壁,為穿晶擴(kuò)展裂紋,分布在母材和焊縫上。
(4)母材硬度與焊縫硬度接近。
(5)斷口處的宏觀和微觀形貌分析結(jié)果表明,斷口具有疲勞斷裂特征。
(6)裂紋內(nèi)部存在大量氧化物顆粒。
綜合各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,爐管的失效機(jī)理為熱疲勞。熱疲勞主要是由溫度改變產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力所致,影響熱疲勞的關(guān)鍵因素是溫度波動(dòng)的幅度和循環(huán)次數(shù)。爐管損傷常以裂紋的形式出現(xiàn)在焊縫和母材的局部區(qū)域,尤其是焊接接頭作為應(yīng)力集中區(qū)最易發(fā)生損傷[5]。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)6根延伸段爐管均存在裂紋缺陷,該部位具有結(jié)構(gòu)不連續(xù)的特點(diǎn),存在溫度分布不均勻的情況,由溫差產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力最終導(dǎo)致金屬疲勞開裂。
2019年大檢修期間,對(duì)存在裂紋缺陷的延伸段爐管進(jìn)行了更換,截至目前爐管運(yùn)行良好。結(jié)合爐管檢測(cè)及失效分析結(jié)果,為避免同類失效再次發(fā)生,確保裝置安全運(yùn)行,必須做好以下工作:
(1)認(rèn)真巡檢,調(diào)整火嘴,避免火嘴燒偏。
(2)在開停工過(guò)程中,嚴(yán)格按照升溫降溫曲線進(jìn)行操作,避免因升溫降溫過(guò)快而造成熱應(yīng)力過(guò)大使?fàn)t管損壞。
(3)優(yōu)化爐管操作,減少爐管在運(yùn)行過(guò)程中的溫度波動(dòng)。
(4)嚴(yán)禁爐管超溫運(yùn)行,超溫會(huì)降低爐管的耐高溫性能,嚴(yán)重影響爐管的剩余壽命。
(5)加強(qiáng)延伸段爐管保溫,避免爐管在材料的敏化溫度區(qū)間運(yùn)行,并根據(jù)具體情況對(duì)爐管進(jìn)行材質(zhì)升級(jí),采用熱穩(wěn)定性和耐高溫性能更好的材料。
(6)對(duì)爐管進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),及時(shí)監(jiān)控爐管的損傷程度。