楊曉聰

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶石化公司,陜西 咸陽 712000)

某石化公司2023年大檢修期間對(duì)加熱爐爐管進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),在超聲壁厚測(cè)定過程中發(fā)現(xiàn)柴油加氫裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F101對(duì)流室底部的個(gè)別爐管局部出現(xiàn)管壁減薄情況,測(cè)定壁厚為4 mm左右。

該加熱爐對(duì)流室爐管的材質(zhì)為TP347不銹鋼,爐管的規(guī)格為Φ168.3 mm×11 mm。超聲測(cè)厚局部減薄處剩余壁厚不滿足加熱爐繼續(xù)使用要求,存在安全隱患,為保證加熱爐安全運(yùn)行,決定對(duì)局部減薄爐管進(jìn)行割管處理,分析壁厚測(cè)定減薄的原因。

1 爐管檢測(cè)分析

1.1 爐管的宏觀、低倍檢查

將F101對(duì)流室底部爐管壁厚測(cè)定減薄部位進(jìn)行割管,經(jīng)外觀檢查可見爐管內(nèi)、外管壁表面未有明顯的裂紋、蝕坑,且爐管壁厚宏觀上也未見明顯減薄。通過低倍鏡觀察在爐管管壁中存在著長(zhǎng)度大約55 mm環(huán)向裂紋;裂紋距離爐管外壁表面大約4 mm左右,與爐管外壁壁厚測(cè)定結(jié)果一致。宏觀檢查結(jié)果見圖1。

圖1 送檢爐管的宏觀形貌

將爐管壁厚測(cè)定減薄處機(jī)械打開,得到爐管裂紋暴露面,通過低倍鏡可以看到爐管斷口呈黑紅色,有金屬氧化的特征,斷口上還有一些陳舊性的二次裂紋,見圖2～3。

圖2 爐管管壁中分層(裂紋)的低倍形貌

圖3 爐管管壁斷口的低倍形貌

通過分析爐管宏觀檢查結(jié)果,發(fā)現(xiàn)爐管不存在沖刷、腐蝕引起的局部減薄,爐管裂紋與管壁平行,未見明顯傾斜角度,存在于爐管距離外壁4 mm處,可以確定該裂紋不是由爐管內(nèi)壁或外壁缺陷引起,在爐管中部應(yīng)該是爐管冶煉或制造加工過程中產(chǎn)生的分層缺陷,在運(yùn)行過程中逐漸擴(kuò)展,發(fā)展為宏觀裂紋。

1.2 爐管的材質(zhì)分析

在爐管上取塊狀樣品,通過便攜式X射線熒光光譜分析,測(cè)定其化學(xué)成分,檢測(cè)結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明,爐管材質(zhì)成分符合TP347不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 爐管材質(zhì)的化學(xué)成分

1.3 爐管的金相檢驗(yàn)分析

在爐管上切取金相樣品,經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后,在顯微鏡下觀察分析,發(fā)現(xiàn)爐管分層(裂紋)的中間部位較寬、分叉較少;分層(裂紋)端部較細(xì)、分叉較多;分層(裂紋)內(nèi)部有產(chǎn)物充塞;爐管分層(裂紋)處的金相組織與未分層處的金相組織相同,均為奧氏體組織,未見材質(zhì)劣化。見圖4～5。同時(shí)對(duì)爐管樣品進(jìn)行硬度檢查,爐管的硬度為:HV1.0/15 s160.2(166.4,160.2,154.0),相當(dāng)于HB152,未見明顯異常。

圖4 爐管管壁分層的金相組織

圖5 爐管管壁的金相組織(未分層處)

1.4 爐管的電鏡分析

使用掃描電鏡,對(duì)爐管斷口和裂紋進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析。

爐管(分層)斷口上有大量的顆粒狀產(chǎn)物附著;能譜分析表明,這些顆粒狀產(chǎn)物主要由O、Si、Nb、Cr、Mn、Fe、Ni等元素構(gòu)成,即這些顆粒物為金屬的氧化物,見圖6。

圖6 爐管斷口的OM+SEM+EDS

爐管(分層)裂紋較寬處為空洞,在裂紋較窄處(即裂紋尖端)有產(chǎn)物充塞;能譜分析表明,裂紋中的產(chǎn)物為金屬的氧化物,見圖7。

圖7 爐管分層(裂紋)的SEM+EDS

爐管母材中的白色顆粒為富Nb處;爐管母材成分中主要元素構(gòu)成符合TP347不銹鋼的Cr18-Ni10-Nb-Fe(余)的成分比例,見圖8。

圖8 爐管母材的SEM+EDS

2 爐管運(yùn)行環(huán)境分析

反應(yīng)進(jìn)料加熱爐F-101加熱介質(zhì)為原料柴油、循環(huán)油、補(bǔ)充氫混合物,進(jìn)爐溫度250～280 ℃,出爐溫度340～380 ℃,爐管介質(zhì)壓力10.0 MPa,對(duì)流室爐膛溫度統(tǒng)計(jì)表見表2,分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)流室爐管運(yùn)行工況穩(wěn)定,無超溫運(yùn)行情況。

表2 2022對(duì)流室溫度統(tǒng)計(jì)表

3 爐管失效分析

通過對(duì)送檢爐管宏觀檢查、材質(zhì)分析、金相分析、電鏡分析,發(fā)現(xiàn)爐管測(cè)定壁厚減薄處未見宏觀意義上的壁厚減薄,而是存在與爐管表面平行,傾斜角度不大的55 mm長(zhǎng)裂紋。對(duì)該裂紋處爐管進(jìn)行材質(zhì)分析、金相分析、硬度測(cè)定、掃描電鏡分析,該爐管材質(zhì)符合TP347,未見明顯的材質(zhì)劣化。查閱加熱爐運(yùn)行溫度記錄,發(fā)現(xiàn)該加熱爐操作穩(wěn)定,未出現(xiàn)超溫運(yùn)行情況,綜合分析檢驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為該爐管的開裂(管壁分層)不是在加熱爐運(yùn)行期間產(chǎn)生的,而是爐管本身帶有的原始冶煉、制造加工缺陷,形成的分層,在超聲測(cè)厚檢測(cè)時(shí)表現(xiàn)為壁厚減薄。

不銹鋼管(板)壁的分層(裂紋)大都與其冶煉、加工(穿管、軋管)等制造過程有關(guān),屬于鋼管(板)的原始缺陷[1-6]。

分層缺陷的危害主要有[7]:1)使分層處鋼管承受載荷的有效厚度減薄,降低材料的塑性、韌性、疲勞性能和耐腐蝕性能;2)分層缺陷的邊緣形狀尖銳,會(huì)引起應(yīng)力集中。其對(duì)應(yīng)力作用非常敏感,特別是在交變載荷作用下,易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞裂紋;3)在含濕硫化氫的液化石油氣、高溫高壓臨氫介質(zhì)等工況條件下,靠近內(nèi)表面的分層缺陷會(huì)發(fā)展變化生成鼓包、裂紋等危險(xiǎn)性缺陷;4)如果分層缺陷出現(xiàn)在鋼管兩頭的坡口處,焊接工藝又沒有進(jìn)行坡口質(zhì)量的控制,焊接接頭的質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響。

因此,在運(yùn)行過程中將管壁分層的爐管檢測(cè)出來,并去除更換是非常及時(shí)和必要的,消除了裝置的安全隱患。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1)爐管的材質(zhì)成分符合TP347不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)爐管的金相組織為奧氏體。

3)爐管的硬度為HV160.21(相當(dāng)于HB152)。

4)爐管的分層(裂紋)性質(zhì)為原始冶金、加工缺陷,大量氧化物的存在導(dǎo)致了爐管的分層(裂紋)。

4.2 建議

1)加強(qiáng)對(duì)爐管的超聲測(cè)厚檢查,防止帶有此類缺陷的爐管進(jìn)入生產(chǎn)使用。

2)定期對(duì)加熱爐煙氣露點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),合理控制物料進(jìn)料溫度,確保爐管管壁溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度,避免煙氣露點(diǎn)腐蝕?？刂迫剂现械牧蚧锖亢凸腆w顆粒含量,減少排放煙氣中的SO2、SO3等硫化物含量和粉塵含量。

3)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程及加熱爐工藝指標(biāo),保證加熱爐在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)運(yùn)行,嚴(yán)禁超溫、超壓、超負(fù)荷運(yùn)行,并盡量避免過低負(fù)荷運(yùn)行(過低負(fù)荷一般指低于設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%)。