制氫轉化爐TP321H豬尾管開裂原因分析

張維順 劉德宇 姜海一 石 凱

(1.中國石油烏魯木齊石油化工總廠；2.中國特種設備檢測研究院)

轉化爐是制氫裝置的關鍵設備，轉化爐豬尾管的失效引起了國內外學者的廣泛研究[1～5]。國內沿海某制氫裝置轉化爐于2010年6月投入使用，正常使用溫度820℃、壓力3.05MPa。2011年9月轉化爐爐管局部干燒溫度達到1 200℃以上，造成5根爐管爆管。轉化爐運行三年后停用一年有余，運行期間制氫裝置反復啟停18次。2014年4月重新啟用充氮升壓時，發(fā)現(xiàn)轉化爐上豬尾管出現(xiàn)開裂泄漏，存在穿透性裂紋，影響了整個生產線的運行。由于轉化爐的上豬尾管數(shù)量甚多，查清管子開裂原因對制氫轉化爐的安全運行至關重要，具有顯著的經濟效益。

1 宏觀檢查和表面探傷

上豬尾管主要用來吸收制氫轉化爐管受熱后的向上膨脹量，其材料為TP321H，操作溫度為520℃，主要介質為H2、CO、CO2和烴。對轉化爐所有豬尾管拆開保溫進行表面探傷，發(fā)現(xiàn)泄漏部位位于轉化爐管上法蘭蓋上焊口近爐管側，為環(huán)向裂紋，如圖1所示。部分豬尾管存在外表面裂紋，但并未沿壁厚方向貫穿，因此可以初步判斷裂紋起裂于外表面。隨后，對裂紋未貫穿豬尾管進行取樣宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)外壁和內壁均較平滑，沒有明顯的腐蝕痕跡，如圖2所示。

圖1 泄漏部位

圖2 失效豬尾管的宏觀形貌

2 金相組織觀察

從裂紋部位取樣進行裂紋金相組織觀察，結果如圖3所示，可以看出，奧氏體晶界有碳化物析出相存在，裂紋以沿晶形式擴展，且在裂紋周圍有較多的析出相。

圖3 裂紋金相組織

3 EDS能譜分析

為了確定開裂原因，對裂紋處晶界附件與晶

界進行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結果見表1?？梢钥闯?，斷口表面除了含有主要合金元素外，還含有元素O和Cl ，且晶界附近的Cr元素含量比晶界處要低。

圖4 裂紋處能譜分析位置

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4 豬尾管開裂原因分析

4.1材料因素

TP321H為奧氏體不銹鋼，C含量較高，在奧氏體中處于過飽和狀態(tài)，當使用溫度超過425℃并在425～815℃范圍內停留一段時間時，過飽和的C就會向奧氏體晶粒邊界擴散，并和Cr元素化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如(Cr,Fe)23C6等，同時造成晶粒內部貧鉻，即敏化[6]。失效豬尾管操作溫度為520℃，處于敏化溫度范圍區(qū)間。此外，超溫運行和頻繁開停車也會對豬尾管材料造成一定的損傷。能譜分析結果中晶界附近Cr含量低于晶界處也表明了豬尾管材料在使用過程中出現(xiàn)了一定的敏化。

4.2應力分析

制氫轉化爐的管系集氣管、轉化管和豬尾管需靠眾多的彈簧吊架來維持一個平衡的受力體系，然而這一體系在冷態(tài)和熱態(tài)下是不同的。該制氫裝置自2010年投產以后，開停車次數(shù)高達18次，較為頻繁，且彈簧吊架多年未進行過調校，部分彈簧吊架已經失效或趨于失效，導致個別彈簧吊架失去作用，打破了整個平衡體系，當重新達到一個平衡點后勢必會造成局部受力點的應力集中。此外，豬尾管在制造安裝時，也不可避免地存在加工殘余應力。

4.3腐蝕環(huán)境

由于該加氫裝置位于國內沿海區(qū)域，空氣和雨水中均含有較多的Cl元素。制氫轉化爐開裂前已停用一年，豬尾管斷口能譜分析中發(fā)現(xiàn)的Cl元素也主要來源于空氣和雨水。Cl元素是導致奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕的重要條件之一[7，8]。氯化物應力腐蝕的裂紋擴展特征通常是穿晶的，但是在材料敏化狀態(tài)下，則有可能出現(xiàn)穿晶與沿晶混合或純沿晶特征[9]。而關于敏化態(tài)奧氏體不銹鋼發(fā)生應力腐蝕的臨界Cl離子濃度，目前暫未有統(tǒng)一說法。Herbsleb G認為敏化態(tài)奧氏體不銹鋼在有無氯離子的常壓水溶液中都對沿晶應力腐蝕敏感[10]，方智等認為敏化態(tài)奧氏體不銹鋼在中性溶液中發(fā)生應力腐蝕的臨界Cl離子濃度為0.4mol/L[11]。

5 結束語

此次開裂失效豬尾管裂紋開裂機理為典型的敏化態(tài)奧氏體不銹鋼氯化物應力腐蝕開裂，在拉應力和腐蝕介質聯(lián)合作用下，敏化態(tài)TP321H材料晶界沉淀相優(yōu)先發(fā)生溶解，形成微裂紋，隨著時間的推移，裂紋逐漸擴展，最終導致豬尾管開裂泄漏。為了保證制氫轉化爐的安全運行，應盡量避免超溫、超壓和頻繁開停車所造成的溫度與壓力劇烈波動。

[1] 許萬劍, 丁毅, 師紅旗, 等. 豬尾管開裂失效分析[J]. 材料熱處理技術, 2011, 40(16): 194～195.

[2] 朱敏, 劉婷婷, 宋文明, 等. 轉化爐Incoloy800豬尾管爆裂失效分析[J]. 鑄造技術, 2013, 34(8): 1008～1011.

[3] 李振勇, 晁志剛, 李開勝. 一段爐豬尾管開裂原因分析及對策[J]. 化肥設計, 2002, 40(6): 44～45.

[4] 楊瑞增, 周留霞. 一段轉化爐豬尾管開裂的原因分析及解決措施[J]. 大氮肥, 2002, 25(1): 32～34.

[5] 鞏建鳴, 涂善東, 徐平,等. 制氫轉化爐下豬尾管開裂原因分析[J]. 石油化工腐蝕與防護, 1996, 13(3): 26～28.

[6] 遲斌, 溫剛全. 蒸汽轉化爐下豬尾管大面積開裂破壞分析及對策[J]. 石油與天然氣化工, 2004, 33(6): 463～466.

[7] 張振杰. 奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂探討[J]. 石油化工腐蝕與防護, 2006, 23(2) : 48～50.

[8] 曹福想, 張啟禮. 奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋失效分析及對策[J]. 南方金屬, 2008, (3): 9～11.

[9] 朱曉東, 艾志斌, 李蓉蓉. 1Cr18Ni9Ti不銹鋼封頭失效分析[J]. 壓力容器, 2004, 21(6): 38～42.

[10] Herbsleb G. The Stress Corrosion Cracking of Sensitized Austenitic Stainless Steels and Nickel- Base Alloys[J]. Corrosion Science, 1980, 20(2): 243.

[11] 方智, 吳蔭順, 朱日彰. 敏化態(tài)304不銹鋼在室溫下發(fā)生應力腐蝕的Cl-濃度界限[J]. 腐蝕科學與防護技術, 1994, 6(4): 305～309.