制氫轉(zhuǎn)化爐豬尾管開裂失效分析

張于寶，郭紹強

(中國石化荊門分公司，湖北荊門 448039)

1 開裂失效概況

某公司制氫裝置1970年建成投產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)氫3×104m3/h，主要原料為重整拔頭油及焦化干氣。兩臺轉(zhuǎn)化爐一開一備，采用側(cè)燒式結(jié)構(gòu)，共五段，每段16根爐管，操作壓力1.5 MPa，操作溫度750～810℃，豬尾管管外包覆40 mm硅酸鋁保溫。2008年8月制氫裝置對1#爐下豬尾管進行了材質(zhì)升級，豬尾管材質(zhì)升級為Incoloy800，規(guī)格φ32 mm×4 mm。2017年5月裝置檢修后開工時，轉(zhuǎn)化爐出口集合管處泄漏著火，導致裝置停工退料，檢查發(fā)現(xiàn)爐出口單根豬尾管存在縱向裂紋，經(jīng)計算，豬尾管更換后已累計運行42 912 h，在此期間，因生產(chǎn)原因及裝置檢修，該轉(zhuǎn)化爐多次開停工。

2 宏觀分析

在豬尾管內(nèi)部存在大量的縱向延伸，近似平行的裂紋，裂紋深度不一，多為100～500 μm，較深的近1 mm，見圖1。

圖1 管束內(nèi)表面縱向裂紋形貌

另外還在靠近集合管約10 cm的位置，發(fā)現(xiàn)一長約27 mm，深約1 mm的裂紋，見圖2。

圖2 管束外表面縱向裂紋形貌

本次為開展實驗室分析截取的樣本為含有內(nèi)外縱向裂紋的管段，見圖2和圖3。

管束外側(cè)呈黑灰色，外側(cè)縱向裂紋距離焊縫約8.5 mm，裂紋長度約27 mm，裂紋中間略寬，兩段較窄，管束輕微彎曲，在縱向裂紋位置有輕微鼓脹(圖3(a))，管束內(nèi)側(cè)覆蓋一層灰白色垢物，可見很多縱向延伸裂紋(圖1)，為了進一步觀測裂紋沿壁厚方向的擴展深度，對其橫截面進行了鑲嵌和磨拋，發(fā)現(xiàn)外表面裂紋在沿徑擴展約1 mm后改變了擴展方向(圖3(b))，其內(nèi)表面密布深淺不一的裂紋(圖3(c))。

3 成分分析

對失效豬尾管進行成分分析檢測，檢測結(jié)果如表1。

圖3 管束內(nèi)外宏觀形貌

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結(jié)果顯示，與ASTM B407技術(shù)要求相比，管束成分Cr含量略低，S含量略高。

4 金相組織分析

金相顯微鏡下進行金相組織及夾雜物檢查。夾雜物評級(比較法)A0.5，B0.5，C0.5，D2.5。

管束組織為奧氏體組織，晶粒度約為6級(圖4)，在管束內(nèi)側(cè)和外側(cè)均存在裂紋，在內(nèi)外表面，侵蝕前已經(jīng)可見明顯的晶界，有些晶界處已產(chǎn)生微裂紋或孔洞，部分區(qū)域晶粒間已填滿腐蝕產(chǎn)物，裂紋沿晶粒界面向管外壁擴展(圖5(a))。

橫截面靠近外表面?zhèn)韧瑯哟嬖谖辞治g就顯現(xiàn)晶界區(qū)域，但與靠近內(nèi)表面?zhèn)认啾绕渫獗砻鎮(zhèn)认騼?nèi)側(cè)擴展的裂紋少，但其主裂紋兩側(cè)存在較多的孔洞和微裂紋(圖5(b))。

圖4 管束橫截面金相組織

圖5 管橫截面裂紋形貌

5 顯微硬度測試

橫截面上從內(nèi)表面到外表面進行顯微硬度測量，結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，靠近表面硬度有所降低。

表2 顯微硬度測量結(jié)果

6 斷口SEM及EDX分析

在掃描電鏡下進行表面觀察及電子能譜分析，結(jié)果顯示外表面主要元素組成有：O，F(xiàn)e，Ni，Cr，Al，Ca等，還發(fā)現(xiàn)存在少量的S，Cl等。內(nèi)表面主要元素組成有：O，Cr，F(xiàn)e，Ni，Al等。

外表面裂紋寬度約100 μm,內(nèi)表面裂紋眾多，且大體相互平行分布。從截面上看，內(nèi)壁裂紋由內(nèi)壁沿徑向向外壁擴展，局部區(qū)域內(nèi)晶界有析出物和腐蝕產(chǎn)物，有些還出現(xiàn)了微孔洞，裂紋的擴展基本沿晶界進行(圖6)。

圖6 橫截面靠近內(nèi)表面?zhèn)刃蚊?/p>

外壁情況與內(nèi)壁類似，靠近外壁處的晶粒晶界顯現(xiàn)，出現(xiàn)析出物和較多的孔洞。在裂紋改變方向的區(qū)域還出現(xiàn)了多條二次裂紋。靠近外表面部分與靠近內(nèi)表面部分相比，其晶粒間的裂紋和孔洞更多，析出物相對少一些(圖7)。

圖7 橫截面靠近外表面?zhèn)刃蚊?/p>

7 原因分析

送檢的失效管段為縱向裂紋段，宏觀上看管段存在一定弧度，且外表面裂紋處存在輕微鼓脹，表明管束在使用運行過程中發(fā)生了輕微形變。從內(nèi)外表面裂紋觀察及橫截面觀察發(fā)現(xiàn)，靠近表面處存在大量析出相、微裂紋或微孔洞，豬尾管操作溫度在750～810 ℃，長期處于>0.4Tm的高溫下[1]，易發(fā)生碳化物析出以及出現(xiàn)蠕變裂紋和孔洞。晶界未侵蝕時已經(jīng)顯現(xiàn)，EDX分析顯示沿晶界附近氧含量和Cr含量比較高[2]。這是由于碳化物沿晶界析出，弱化晶界，而且導致晶界附近出現(xiàn)貧鉻，局部耐腐蝕性能下降，導致發(fā)生沿晶界的腐蝕。腐蝕以及高溫蠕變協(xié)同作用，導致局部產(chǎn)生微裂紋和孔洞，裂紋和孔洞的擴展和相互連接，形成了宏觀尺度的裂紋。材料夾雜物含量比較多，且晶內(nèi)存在較多的長方形沉淀相，也促進了裂紋和孔洞的形核。

材料合金成分與ASTM B407技術(shù)要求相比，管束成分Cr含量略低，S含量略高，總體偏差較小，考慮到測試的誤差以及標準允許的偏差，合金成分不是發(fā)生失效的主要原因。由于晶界的析出相及裂紋導致了材料性能下降，內(nèi)外表面的硬度也有所降低。

8 結(jié)論及建議

豬尾管縱向裂紋是由于晶界的析出相弱化了晶界，在高溫蠕變、腐蝕的協(xié)同作用下產(chǎn)生裂紋。

針對此豬尾管開裂的原因，建議采取如下措施：平穩(wěn)操作，減少溫度波動，嚴防超溫；有條件時，可考慮更換為Incoloy 800HT；開展應(yīng)力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低豬尾管工作應(yīng)力。

[1] 于永泗，徐成裕. Incoloy800H 豬尾管脆化原因分析[J].石油化工設(shè)備， 1998，27( 4): 26-28.

[2] 張忠政.高溫高壓臨氫環(huán)境下不銹鋼爐管的損傷與斷裂[D]. 南京：南京工業(yè)大學，2005.