裂解爐輻射段爐管失效分析

晉圣發(fā)

(揚子石化-巴斯夫有限責任公司,江蘇南京 210048)

裂解爐輻射段爐管失效分析

晉圣發(fā)

(揚子石化-巴斯夫有限責任公司,江蘇南京 210048)

高溫合金ZGCr25Ni35Nb常用作裂解爐輻射段爐管的標準材料。某裝置在停車檢修時,在裂解爐輻射段的爐管上發(fā)現了相似形貌的周向裂紋。采用宏觀斷口檢查、化學成分分析、金相分析、能譜分析、掃描電鏡分析等手段對爐管開裂原因進行分析。結果表明：導致爐管開裂的主要原因是蠕變、滲碳。

裂解爐 輻射盤管 裂紋 蠕變 滲碳

乙烯裂解爐輻射段長期在高溫環(huán)境下服役,作為乙烯裝置的核心設備[1],其輻射段爐管早期失效對爐子的安全可靠運行造成了負面影響。離心鑄造的高Ni高Cr耐熱合金廣泛用作乙烯裂解爐爐管材料,其使用溫度范圍一般在900-1150℃[2],國外同類爐管實際使用壽命可以達到8年以上的使用時間,而某裝置的爐管在使用僅為3-5年時,意外失效現象屢有發(fā)生,嚴重影響了裝置長周期滿負荷運行[3]。本文以某廠剛使用4年就已失效的輻射段爐管為樣品,采用多種測試手段綜合分析,據此作為實例研究爐管未能達到設計使用壽命的原因。

圖1 開裂失效的裂解爐管段形貌照片

圖2 爐管的裂紋放大形貌

圖3 爐管剖面宏觀形貌

1 試驗過程與結果

1.1 外觀檢查

經宏觀分析發(fā)現,斷口上裂紋擴展顯示為斷續(xù)的鏈接裂紋且外壁的開口度大于內口,斷口未發(fā)生塑性變形且具有明顯的強氧化顏色[4]。顏色較深的則是實際端口,呈星星點點分布的白色區(qū)域的新鮮斷口是取樣分析時扳斷的痕跡,這是高溫蠕變斷裂的典型形貌。見圖1-3。

圖4 內管壁滲碳損傷

圖5 外管壁滲碳損傷

圖6 近內壁金相組織

圖7 近外壁金相組織

圖8 近外破碎的第二相

圖9 近內壁第二相向晶界聚集

圖10 奧氏體基體

圖11 晶界第二相(一類)

圖12 晶界第二相(二類)

圖13 沿晶裂紋(SEM 700X)

圖14 連接成串的蠕變孔洞(SEM 700X)

表1 服役后爐管的化學成分分析結果(ZGCr25Ni35Nb)質量百分比

1.2 材料化學成份分析

爐管的材料為ZGCr25Ni35Nb,光譜檢測結果見表1,服役后的爐管材料化學成分除碳含量偏高以外,其余的元素成分均合格,且內管壁含碳量明顯高于外管壁,滲碳較為明顯,由于滲碳和熱應力影響,可能會導致爐管會過早損傷。

1.3 金相分析

(1)內外管壁都出現了碳損傷,碳損傷厚度達到632μm見圖4-5。

(2)爐管材料存在高溫蠕變孔洞及蠕變損傷顯微裂,見圖6-7

(3)第二相的聚集和開裂。

第二相集聚到晶界以及近外管壁發(fā)現第二相破碎,見圖8-9

1.4 X-Ray能譜分析(EDX)

通過能譜分析,可以清晰地看出,和奧氏體基體相比,第二相已發(fā)生氧化,且第二相中也沒有發(fā)現碳元素。因此可確認蠕變過程中一定發(fā)生了氧化和第二相的分解。以Cr為主要元素的強化相在800℃以上開始分解、粗化,但以碳化鈮為主要的強化相則要到1100℃以上時才會迅速分解(氧化成五氧化鈮)并粗化。據此推斷,裂解爐爐管曾經長時間在1100℃以上運行,造成碳化物分解。非碳化物的第二相應該是屬于金屬間化合物,這些化合物通常較脆,難以溫度急變引起的熱應力沖擊。見圖10-12。

1.5 掃描電鏡分析

斷口的掃描電鏡分析證實了上述的分析,高溫蠕變裂紋。斷裂完全沿柱晶結合面發(fā)展,是完全的沿晶擴展的裂紋[5](見圖13),以及由蠕變孔洞鏈接成串,這是典型的高溫蠕變損傷裂紋之斷口(見圖14)。

2 分析結論

(1)鏈接裂紋、蠕變孔洞都清晰地地顯示,此裂紋的產生主要是由高溫蠕變所引起。2)碳損傷、碳化物第二相的分解、碳化物的碎裂及在境界聚集。裂紋應該先產生于晶粒子邊界及晶粒邊界的結合點[6],在熱應力的所用下,造成裂紋分解和擴展。(3)碳損傷和高溫蠕變的共同作用是導致裂紋產生的主要原因。

3 建議

(1)嚴格控制爐壁溫不能超溫,尤其嚴防火焰舔管。(2)在已服役爐管修復補焊時建議機加工去除至少0.7mm 以上,消除碳損傷存,并在修復焊接的前后注意焊前預熱和焊后保溫,降低焊后收縮應力,減少焊后開裂的風險。

[1]何細藕.烴類蒸氣裂解原理與工業(yè)實踐 (一) [J].乙烯工業(yè),2008,20(3)：49-55.

[2]Branzaa, Deschaus-Beaumeb F,Sirrab G,et al. Study and Prevention of Cracking during Weld-repair of Heat-resistant Cast Steels[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,209：536-547.

[2]Chen Tao,Chen Xuedong,Lu Yunrong,etc. Influence of Grain Shape on Stress Life Centrifugal Casting 25Cr35Ni-Alloy Tubes[C]// Proceeding of ICPVT-13,20-23,May,2012 London, UK.

[3]鄭顯偉.我國乙烯裂解爐輻射爐管的使用狀況.壓力容器[J],2013,5：49.

[4]吳望周.化工設備斷裂失效分析基礎[S].1991：223-225.

[5]張敬禮,涂善東,顏世華.乙烯裂解爐爐管滲碳損傷分析.機械工程材料[J],2008,9：77.

[6]Charlie R.Brooks,Ashok Chondhury, Failure Analysis of Engineering Materials[s]2002：164.

晉圣發(fā)(1970-)男,工程師,主要從事壓力管道和壓力容器質量問題處理工作。