乙烯急冷鍋爐下異徑管焊縫裂紋分析

摘 要：通過對某乙烯裝置裂解爐急冷廢鍋下異徑管裂紋進(jìn)行了現(xiàn)場紅外熱成像檢測、工藝介質(zhì)成份、材質(zhì)驗證及組織晶相等技術(shù)分析，采用排除法排除了可能的幾種高溫失效模式。分析結(jié)果表明，下異徑管焊縫開裂是因為工人對保溫的要求不清楚，對帶內(nèi)襯里的異徑管錯誤保溫，導(dǎo)致焊縫部位超出金屬高溫蠕變極限值，焊接熱影響區(qū)發(fā)生高溫蠕變和應(yīng)力斷裂失效。

關(guān)鍵詞：乙烯急冷鍋爐；高溫蠕變斷裂和應(yīng)力斷裂；內(nèi)襯里保溫

從裂解爐出來的高溫裂解氣體，通過急冷換熱器迅速降低溫度而終止化學(xué)反應(yīng)，并用來回收高溫?zé)崃恳园l(fā)生高壓蒸汽。急冷換熱器運行的好壞，直接影響乙烯裝置的蒸汽平衡，另外，由于急冷鍋爐運行周期和裂解爐運行周期互相牽制，延長急冷換熱器運行周期，可以提高乙烯產(chǎn)量，減少升降溫過程，從而提高爐管壽命。某公司采用的是傳統(tǒng)廢熱鍋爐，基本構(gòu)型是一種列管式換熱器，由殼體、換熱管、管板組成，管內(nèi)走裂解氣，管外為高壓沸騰水。

該裂解爐2009年投用，運行63個月后，廢熱鍋爐下部裂解氣入口異徑管焊縫出現(xiàn)開裂，該焊縫為異種鋼焊接焊縫。下部異徑管材質(zhì)為 G-X10NiCrNb3220，上部殼體才智為SA204 GR.A，焊材選用TIG 82。

該部位的設(shè)計條件為：設(shè)計溫度400℃，設(shè)計壓力0.45Mpa。內(nèi)部帶襯里，結(jié)構(gòu)形式如圖1：

幾種可能的高溫?fù)p傷的幾種機(jī)理。

（1）蠕變斷裂和應(yīng)力斷裂，高溫下，晶屬部件在低于屈服應(yīng)力的載荷下會緩慢并持續(xù)變形。受應(yīng)力部件的這種取決于時間的變形被稱為蠕變。變形所致?lián)p傷最終會引發(fā)斷裂。

表2列出了極限溫度，高于極限溫度就擔(dān)心有蠕變損傷。如果晶屬溫度超過極限就會發(fā)生蠕變損傷和蠕變破裂。

（2）高溫氫侵蝕（HTHA）。在高溫下，氫分子分解成原子形式，它能夠容易地進(jìn)入到鋼材中，并進(jìn)行擴(kuò)散。在這些條件下，氫在鋼中的擴(kuò)散是很迅速的。高溫氫侵蝕的形式，氫可以與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)，引起表面脫碳和內(nèi)部脫碳以及微裂。這種氫的損傷形式稱為高溫氫侵蝕。

高溫氫對鋼的侵蝕有如下兩種形式： a.表面脫碳 b.內(nèi)部脫碳和微裂紋

（3）石墨化。損傷的描述 1）石墨化是某些碳鋼和0.5Mo 鋼在800℉-1100℉（427℃-593℃）之間長時間工作后，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的一種變化。這種變化可能造成強(qiáng)度、延性或蠕變抗力的損失。2）在高溫時，上述鋼的碳化物相不穩(wěn)定并會分解為球墨。這種分解被稱為石墨化。

石墨化的范圍和程度通常以定性的方式描述（沒有、輕微、中等、嚴(yán)重）。盡管預(yù)測石墨化形成率很困難，嚴(yán)重的熱影響區(qū)石墨化會在工作溫度高于1000℉（538℃）時工作最少五年出現(xiàn)。極輕微石墨化可能在工作溫度為850℉（454℃）時工作30 到40 年出現(xiàn)。熱影響區(qū)石墨化的時間—溫度—改變曲線。

1 現(xiàn)場調(diào)查

（1）現(xiàn)場溫度測量，我們發(fā)現(xiàn)該部位6個下異徑管均超出設(shè)計溫度。如圖2。

（2）裂解氣主要組分分析。查詢lims系統(tǒng)：乙烯 38.14%（質(zhì)量比），丙烯22.32%（質(zhì)量比），氫氣11.97%（體積比）。

（3）現(xiàn)場組織和晶相分析見圖3、4。

2 原因分析

從SA204母材的晶相分析來看，其組織為鐵素體+珠光體。焊縫組織為柱狀晶粒+粒狀晶。焊縫熱影響區(qū)為馬氏體+鐵素體。組織屬于正常。

從裂解氣的組成來看，其氫氣含量在10%左右，操作溫度長期在400攝氏度附近，出現(xiàn)裂紋時，局部溫度到了430攝氏度以上，具備高溫氫侵蝕的可能，但在母材、焊縫及熱影響區(qū)未能發(fā)現(xiàn)表面內(nèi)部脫碳和微裂，在其裂紋切面晶相上也沒有發(fā)現(xiàn)，基本可以排除是高溫氫侵蝕。典型的高溫氫侵蝕相如圖5：

晶相上也沒有發(fā)現(xiàn)鏈狀或球狀石墨，另外 0.5Mo 鋼在800℉-1100℉（427℃-593℃）之間長時間工作后才會出現(xiàn)石墨化，電力行業(yè)規(guī)定運行為15萬小時后要進(jìn)行石墨化普查，之后每5年進(jìn)行一次。

裂紋出現(xiàn)在靠SA204熱影響區(qū)上，為沿晶開裂，經(jīng)過進(jìn)一步的分析，我們在未開裂部位發(fā)現(xiàn)了蠕變損傷的最初階段只能用掃描電子顯微鏡金相學(xué)識別。蠕變空洞通常出現(xiàn)在晶界，在蠕變損傷的后期會形成裂隙然后形成裂紋。當(dāng)溫度明顯高于閾值時，可以觀察到明顯的變形。比如，加熱器加熱管會發(fā)生長期蠕變損傷并且在破裂最終出現(xiàn)前出現(xiàn)明顯的折皺。變形的數(shù)量高度依賴于材料以及溫度和應(yīng)力水平的組合。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該部位內(nèi)部帶有耐磨襯里，操作說明里面明確要求該部位不應(yīng)進(jìn)行外部保溫，該筒段的設(shè)計溫度為400攝氏度，應(yīng)是居于防止高溫蠕變的考慮。但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該部位下方被誤保溫，導(dǎo)致設(shè)備超溫。該部位的襯里托鉤（靠介質(zhì)側(cè)）發(fā)生了較嚴(yán)重變形，驗證了超溫比較嚴(yán)重。

從表1可以查到，C-1/2Mo極限使用溫度為400攝氏度，蠕變變形率同材料、負(fù)荷和溫度關(guān)系密切。損傷率（應(yīng)變率）對負(fù)荷和溫度都敏感。一般而言，溫度升高25℉（12℃）或者應(yīng)力增加15%會視合金的不同減少金屬剩余壽命的一半或更多。實際運行溫度已經(jīng)超過設(shè)計溫度30攝氏度，高溫蠕變發(fā)生的可能性很大。

3 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查了解、故障部位溫度紅外測量、組織晶相分析及一系列排查，認(rèn)定該乙烯急冷鍋爐下異徑管是因為保溫錯誤導(dǎo)致的焊縫組織高溫蠕變開裂。拆除了錯誤的外保溫后沒有再次出現(xiàn)同類故障。

參考文獻(xiàn)：

[1][2] APIRP 571C Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry

作者簡介：李志斌（1977-），男，福建武平縣人。2001年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院化工機(jī)械與設(shè)備專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師，主要從事：設(shè)備管理工作。endprint