乙烯裂解爐爐管失效形式及其原因分析研究進展*

金沛斌 沈利民

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

乙烯裂解爐爐管失效形式及其原因分析研究進展*

金沛斌**沈利民

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

總結(jié)了乙烯裂解爐爐管的失效形式，分析了爐管失效原因。發(fā)現(xiàn)乙烯裂解爐爐管失效形式主要表現(xiàn)為彎曲失效、穿孔失效和開裂失效，其失效原因通常表現(xiàn)為多種因素共同作用的結(jié)果。

乙烯裂解爐 爐管 失效形式 原因分析

乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，而其核心構(gòu)件是乙烯裂解爐爐管。爐管不僅是乙烯裂解爐的換熱件，同時又是裂解介質(zhì)的反應(yīng)區(qū)域。由于長期在高碳勢、低氧壓和高溫的復(fù)雜環(huán)境下服役，乙烯裂解爐爐管常受到蠕變損傷、滲碳損傷、氧化損傷及彎曲變形等影響而提前失效。究其原因主要在于爐管管壁處在管內(nèi)烴類滲碳、管內(nèi)外高溫氧化或硫化的環(huán)境，同時又承受內(nèi)壓、自重、熱應(yīng)力及定期檢修開停車所引起的疲勞、熱沖擊等復(fù)雜作用的影響。因此在各種因素的共同作用下，爐管極易發(fā)生高溫損傷、表面氧化、熱應(yīng)力開裂、鼓泡、化學(xué)腐蝕、沖刷磨損及蠕變等失效事故。為此，筆者總結(jié)了乙烯裂解爐爐管的3種主要失效形式，并對其失效原因進行了詳細分析，最后對乙烯裂解爐爐管的現(xiàn)場運行提出了建議。

1 爐管變形失效

乙烯裂解爐爐管變形失效是其失效形式中較為常見的一種，變形失效的形式有膨脹、彎曲等類型，其中爐管因彎曲失效而導(dǎo)致更換爐管的情況占一半以上[1]。變形的爐管經(jīng)常會過早的出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致爐管不能正常工作，引起爐管變形失效的主要原因滲碳層和蠕變兩個方面。

1.1滲碳層

滲碳層由爐管滲碳所產(chǎn)生，滲碳會導(dǎo)致爐管的變形失效[2～4]。在實際生產(chǎn)過程中，爐管變形失效的例子多不勝數(shù)。張禮敬等對服役3～7a的10根HP爐管進行解剖，發(fā)現(xiàn)爐管內(nèi)外壁損傷嚴重，通過分析發(fā)現(xiàn)爐管滲碳現(xiàn)象嚴重并且滲碳層深度較大，且內(nèi)壁損傷程度大于外壁；這些損傷沿著晶界擴展的，由于爐管的周向損傷不均勻，導(dǎo)致爐管變形也不均勻[5]，這一結(jié)果與文獻[6]所模擬的結(jié)果相吻合。此外，郭宏偉和韓國祥對運行了5a的膨脹加熱爐管進行了分析，發(fā)現(xiàn)其外貌呈現(xiàn)明顯的膨脹和彎曲；取樣并進行金相分析發(fā)現(xiàn)，脹管樣品的橫、縱向顯微組織形態(tài)都是均勻鐵素基體上分布著大顆粒的碳化物，且碳化物聚集長大并粗化，向著晶界聚集，最終造成爐管的膨脹變形[7]。

由上述文獻可知，在正常工況下爐管滲碳是不可避免的。在發(fā)生滲碳現(xiàn)象后，爐管的滲碳層與非滲碳層的熱膨脹系數(shù)是不同的，即滲碳層的熱膨脹系數(shù)低于金屬基體，滲碳層會隨著時間的發(fā)展越來越厚，熱膨脹系數(shù)也會隨之越來越低，滲碳層與非滲碳層熱膨脹系數(shù)的差異將惡化爐管的受力狀況，從而導(dǎo)致爐管變形，直至出現(xiàn)裂紋。

1.2蠕變

因為爐管長期服役于高溫環(huán)境下，所以爐管材料的蠕變也是不可避免的。爐管材料蠕變導(dǎo)致的爐管變形失效也是爐管常見的失效類型之一[8,9]。

在現(xiàn)場生產(chǎn)中，蔡瑞瑛等對某廠服役多年的W形爐管組中發(fā)生蠕變變形的爐管進行了失效分析，試驗結(jié)果表明，彎矩會導(dǎo)致爐管蠕變彎曲變形，同時管材的選用也對變形具有一定影響[10]。在爐管性能研究中，安俊超等在900℃、不同的應(yīng)力條件下對HP40合金的蠕變性能進行了研究，利用SEM+EDX對合金組織轉(zhuǎn)變和相成分的變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的增加會加速管材的蠕變速率，且在長時間的蠕變試驗后，原始組織中的骨架狀共晶碳化物會逐漸變成條狀和塊狀，這種變化導(dǎo)致了蠕變性能的下降，加速了蠕變變形的過程[11]。綜合文獻[10,11]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微觀組織變化會導(dǎo)致蠕變變形加速，而應(yīng)力的存在使蠕變變形的過程變得更快。

1.3變形綜合分析

在實際生產(chǎn)中，乙烯裂解爐爐管的變形往往是在滲碳、蠕變等多個因素的共同作用下引起的。李海英等對滲碳、蠕變共同作用下的乙烯裂解爐爐管損傷過程進行了模擬，結(jié)果表明，滲碳層的熱膨脹系數(shù)與母材不同會引起滲碳部分體積膨脹，造成變形；同時，滲碳層與母材的熱膨脹系數(shù)不同和溫差會產(chǎn)生熱應(yīng)力；爐管還會發(fā)生蠕變，蠕變會導(dǎo)致滲碳應(yīng)力和熱應(yīng)力得到松弛；此外，由于這些應(yīng)力的存在，蠕變速率也會增加；當滲碳層隨時間而不斷增厚時，在滲碳、蠕變和熱循環(huán)的共同作用下，管材內(nèi)部會形成一個隨時間變化的時變應(yīng)力場，爐管在這個變化的應(yīng)力場作用下會加速變形[12]。沈利民等利用Abaqus對1 050℃下受蠕變-滲碳耦合作用的Cr35Ni45Nb鋼損傷發(fā)展過程進行了模擬分析[13]，結(jié)果表明，單一蠕變作用與蠕變-滲碳耦合作用對爐管造成的損傷是不同的，前者外壁先失效，后者內(nèi)壁先失效，這表明在熱應(yīng)力存在的情況下，加速了爐管的蠕變速率。

綜上所述，爐管的變形失效不是由單一的某種因素造成的。爐管的服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，滲碳層與母材的熱膨脹系數(shù)不同會導(dǎo)致爐管的局部鼓脹；此外，蠕變導(dǎo)致了爐管的變形，而熱應(yīng)力、滲碳應(yīng)力的存在，加速了爐管的蠕變變形速率。在多種因素的共同作用下，導(dǎo)致了爐管變形，造成了爐管的提前失效。

2 爐管結(jié)焦失效

乙烯裂解爐爐管的結(jié)焦失效是爐管眾多失效形式中的一種。結(jié)焦的爐管不能正常運行服役，必須要停爐檢修，這影響了乙烯裂解爐的正常運行。

2.1結(jié)焦對氧化膜的影響

爐管的結(jié)焦失效[14,15]，首先是爐管內(nèi)部發(fā)生結(jié)焦，焦體對氧化膜的破壞較為嚴重，會導(dǎo)致其熱傳導(dǎo)系數(shù)下降，引起過熱，導(dǎo)致Cr2O3氧化膜轉(zhuǎn)化為CrxOy碳化物；其次，裂解原料中雜質(zhì)(如硫)的存在會對氧化膜造成破壞，當氧化膜遭到破壞后會導(dǎo)致嚴重的滲碳，造成爐管組織不均勻、性能劣化，有時還會引起金屬粉化(金屬粉化機理)[16]，造成腐蝕穿孔，最終導(dǎo)致爐管失效。

劉剛等對實際生產(chǎn)過程中一段發(fā)生腐蝕穿孔失效的乙烯裂解爐爐管進行了失效分析，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)壁有大面積的腐蝕孔洞，并且腐蝕的凹坑大小不一，通過宏觀樣貌分析、纖維組織分析和能譜分析認定，此次腐蝕失效為金屬粉化損傷，此次腐蝕失效是因為在高溫條件下，Cr氧化膜被破壞，并轉(zhuǎn)化為Cr的碳化物，同時，裂解原料中的硫也對氧化膜造成破壞，進而導(dǎo)致了嚴重的滲碳，引起金屬粉化[17]。宋若康等對Cr35-Ni45爐管服役過程中的結(jié)焦機理和組織特征進行了分析，試件取服役兩年半的爐管，通過XRD、掃描電鏡及電子探針等手段進行了分析研究，結(jié)果表明，引起爐管失效的原因為結(jié)焦的焦體(絲狀焦和球狀焦油滴)對氧化膜造成了較大的破壞，導(dǎo)致了嚴重的滲碳，造成了爐管的組織性能嚴重下降；其中，爐管的內(nèi)壁最外側(cè)有少量M3C2，滲碳區(qū)富鉻M7C3，心部基體M23C6，這主要是由不同區(qū)域的鉻、碳濃度不同造成的[18]。宋若康等對這一現(xiàn)象在文獻[19]中進行了更為詳細的分析解讀，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦導(dǎo)致的滲碳和碳化物十分粗大，使組織變得不均勻，破壞了晶界的連續(xù)性，進而導(dǎo)致爐管強度和塑性下降。這個結(jié)論與文獻[20]中對Cr35-Ni45合金性能分析所得到的結(jié)論相同。

2.2結(jié)焦對熱傳導(dǎo)率的影響

結(jié)焦層的存在會導(dǎo)致爐管的傳熱性能下降，通常采用升溫的方式來保證管內(nèi)溫度，這種方式可能會導(dǎo)致爐管因高溫而使其強度過低進而造成爐管的迅速破斷，也會造成爐管失效。

沈利民等就結(jié)焦對HP40Nb爐管傳熱與機械性能的影響進行了研究，利用有限元分析軟件Abaqus開發(fā)了順次耦合的熱應(yīng)力程序，并對已存在結(jié)焦層的HP40Nb型爐管在開車過程中的溫度場和應(yīng)力場分布情況進行了分析模擬，結(jié)果表明，隨著結(jié)焦層的增加傳熱性能下降，焦體導(dǎo)致爐管失效的原因是結(jié)焦導(dǎo)致爐管的傳熱性能下降，而正常的升溫不能保證管內(nèi)物料的裂解溫度[21]。為了解決這個問題，通常采用管外加熱升溫的方式，但會因超溫導(dǎo)致爐管強度過低而發(fā)生破斷。此結(jié)論與文獻[22]中關(guān)于結(jié)焦對爐管的影響研究相符。

2.3結(jié)焦綜合分析

結(jié)焦所導(dǎo)致的爐管提前失效并不是完全直接由結(jié)焦引起的，而是在多種因素的共同作用下造成的。李處森和楊院生對金屬材料在高溫碳氣氛中的結(jié)焦與滲碳行為進行了研究，闡述了結(jié)焦與滲碳的關(guān)系，他們認為，理論上結(jié)焦與滲碳可以單獨發(fā)生，但在實際工況中，結(jié)焦與滲碳往往是同時發(fā)生的，且相互聯(lián)系、相互制約；結(jié)焦會促進滲碳，催化結(jié)焦也是一種微觀的滲碳行為；所以，多種因素相互聯(lián)系、制約，在共同作用下導(dǎo)致了爐管的結(jié)焦失效[23]。

綜上所述，焦體對于爐管的性能影響十分重大，無論是由于氧化膜破壞所導(dǎo)致的滲碳，還是由于焦體熱傳導(dǎo)率太低導(dǎo)致的管外火焰升溫加熱，這些負面影響都會導(dǎo)致爐管的提前失效。在實際生產(chǎn)過程中，為了減少結(jié)焦的影響，通常采用停車清焦的方式，但是開停車的急冷急熱所產(chǎn)生的熱沖擊也有可能會導(dǎo)致爐管的報廢失效。

3 爐管開裂失效

開裂失效是指乙烯裂解爐在運行過程中，爐管出現(xiàn)開裂裂紋的現(xiàn)象。開裂的爐管會發(fā)生泄漏，不能繼續(xù)服役，需要停車更換，停車會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，造成經(jīng)濟損失。爐管的開裂部位主要分為非焊縫區(qū)開裂和焊縫區(qū)開裂。

3.1非焊縫區(qū)開裂

由于爐管長期處于高碳勢、低氧壓的工作環(huán)境下，因此爐管的材料極易受到嚴重的損傷從而導(dǎo)致管材微觀組織的惡化，產(chǎn)生大量孔洞，降低材料性能，導(dǎo)致脆性的增加。楊國安等對國產(chǎn)乙烯裂解爐爐管彎頭開裂的原因進行了分析，將彎頭剖開后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁有許多裂紋，部分裂紋已經(jīng)穿透；在對試樣進行滲碳分析和金相分析后發(fā)現(xiàn)，爐管彎頭開裂的原因在于滲碳、氧化和熱應(yīng)力的影響；再者，因為開裂位置為爐管彎頭，所以氣體的沖刷減薄也是不可忽略的因素，它加速了爐管的開裂[24]。王立坤等也對熱電廠開裂的爐管進行了失效分析，發(fā)現(xiàn)爐管的開裂位置位于爐管的彎曲部分，且開裂的區(qū)域有明顯的脹粗現(xiàn)象；通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗及金相分析等手段得到：爐管開裂的主要原因是由于長期的高溫服役，導(dǎo)致爐管發(fā)生了蠕變，進而導(dǎo)致爐管力學(xué)性能下降，最終造成爐管開裂[25]。

根據(jù)上述文獻可以得知，爐管的失效一方面是由于爐管發(fā)生了蠕變[26～28]，而對于服役的爐管來說，蠕變是不可避免的，隨著服役時間的增長，碳化物會在晶界上析出，雖然當晶界上有細小碳化物析出時，會增加高溫持久強度，但是隨著時間的持續(xù)增長，碳化物聚集、長大、粗化后，相對于細小的碳化物來說它們對晶界強化效果較弱，導(dǎo)致晶界抗蠕變能力下降，蠕變裂紋的產(chǎn)生過程是：首先生成微小孔洞，這些孔洞是在碳化物和其一相鄰的界面上形成的，然后它會逐漸向另外一側(cè)的界面和奧氏體晶粒直接接觸的界面發(fā)展并且長大，所以，相鄰的小孔洞會逐漸靠近并最終連接在一起形成微裂紋，裂紋會進一步與前方的孔洞合并而得到擴展，最終導(dǎo)致破斷[29～31]；另一方面是由于熱應(yīng)力的產(chǎn)生[32,33]，雖然目前使用的爐管擁有較強的抗?jié)B碳能力，但在服役環(huán)境中，滲碳是不可避免的，滲碳不僅會降低材料的強度和韌性，還會導(dǎo)致爐管在厚度方向上各項物理性能的不均勻，同樣，爐管的結(jié)焦也是不可避免的，因為滲碳層與結(jié)焦層的傳熱性能較差，內(nèi)外壁存在較大溫差，在此溫度梯度的影響下，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時由于蠕變的存在，隨著服役時間的增加，滲碳層與結(jié)焦層變厚，將產(chǎn)生時變應(yīng)力場，使爐管易發(fā)生開裂，加速爐管的失效[34,35]。綜合上述因素，再加上惡劣的實際使用工況，乙烯裂解爐爐管經(jīng)常達不到使用壽命就提前失效。

3.2焊縫區(qū)開裂

對于焊縫區(qū)開裂來說，除了上述開裂因素外，還有焊接工藝的影響[36～38]。

路寶璽等探討了電子束焊對乙烯裂解爐爐管的影響[39]，通過金相分析、SEM等方法對焊縫開裂處進行了失效分析，發(fā)現(xiàn)在垂直于焊縫中心處存在柱狀晶組織(在電子束焊過程中形成的)，加之鈮元素在焊縫中心線附近的缺乏，造成碳化物的析出，導(dǎo)致這部分區(qū)域脆化[40]，是產(chǎn)生裂紋的主要原因。姜勇等對乙烯裂解爐對流段盤管的焊接接頭開裂原因進行了探究，從斷口的宏觀樣貌、材料、電鏡形貌及微觀組織等多個方面對開裂原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)發(fā)生敏化從而導(dǎo)致爐管的抗腐蝕性能下降，在堿、氯離子的作用下發(fā)生了腐蝕，同時由于焊接殘余應(yīng)力的存在，在三者的共同作用下，爐管發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂[41]。鞏建鳴等利用Abaqus模擬了焊接對HK高溫爐管蠕變損傷與斷裂的影響，同時對服役10a的HP爐管進行了金相剖析，模擬結(jié)果與實際結(jié)論相吻合，證明了焊縫是爐管長期服役過程中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，同時表明了有限元模擬方法可以對高溫爐管的壽命進行預(yù)測[42]。

爐管在蠕變、滲碳及熱應(yīng)力等多種因素共同作用下容易發(fā)生開裂，尤其在焊縫部位，因為焊縫區(qū)域的蠕變損傷累積相對于母材來說更加不均勻并且呈現(xiàn)局部化，焊縫區(qū)的損傷要大于母材的損傷，所以焊縫部位往往提前于母材發(fā)生開裂失效。

3.3開裂綜合分析

綜上所述，爐管的開裂失效是由多種因素共同作用導(dǎo)致的。無論是焊縫區(qū)開裂，還是非焊縫區(qū)開裂，失效的原因都是以結(jié)焦、滲碳和蠕變?yōu)橹鲗?dǎo)的。

焊縫區(qū)與非焊縫區(qū)失效的共同點在于，結(jié)焦層的存在會對氧化膜造成破壞，促進滲碳的發(fā)生，爐管滲碳會導(dǎo)致爐管的機械性能劣化，如抗蠕變性能降低，而且由于滲碳層的熱膨脹系數(shù)與母材不同，還會產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，會使蠕變速率增加，加速爐管的開裂失效。不同的是，對于焊縫區(qū)來說，由于焊接工藝的影響，焊縫區(qū)的材料性能本就劣于母材，再加上由于焊接殘余應(yīng)力的存在，加速了裂紋的擴展，這就導(dǎo)致了焊縫區(qū)先于非焊縫區(qū)發(fā)生失效。

4 結(jié)束語

乙烯裂解爐爐管失效的表現(xiàn)形式是多種多樣的，導(dǎo)致爐管失效的原因也是多種多樣。從管內(nèi)、管外到焊縫，從操作條件到管內(nèi)介質(zhì)，乙烯裂解爐在生產(chǎn)、使用及維護等過程中的環(huán)境因素，高溫影響、開停車的影響、運行中的磨損及介質(zhì)問題(腐蝕性氣體、液體、腐蝕介質(zhì))等因素，都可能引起爐管的失效。這些因素可能在短時間內(nèi)不會影響乙烯裂解裝置的使用，但是當這些或主導(dǎo)因素或誘導(dǎo)因素長期作用在裝置上時，必然會導(dǎo)致乙烯裂解爐發(fā)生失效。所以，乙烯裂解爐從設(shè)計、使用、維護方面，都需要認真對待、時刻關(guān)注，以保障裂解裝置的安全生產(chǎn)和正常運行。

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AnalysisofFailureCausesandTypesofEthyleneCrackingFurnaceTubes

JIN Pei-bin, SHEN Li-min

(SchoolofChemicalEngineering&Technology,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Both tube failure types and causes of ethylene cracking furnace was summarized to show that the bending deformation, perforation damage and cracking damage characterize this failure types and the action of multiple factors incurs it.

ethylene cracking furnace, furnace tubes, failure types, analysis of causes

*國家自然科學(xué)基金項目(51305440)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2013QNA15)，江蘇省科技支撐計劃項目(BE2013038)。

**金沛斌，男，1990年12月生，碩士研究生。江蘇省徐州市，221116。

TQ054

A

0254-6094(2016)03-0263-06

2016-01-18)