乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體開裂分析

張中利 趙寶強(qiáng) 王 娟

（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.嘉峪關(guān)市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心；3.中國(guó)石油蘭州石化公司煉油廠）

急冷換熱器是乙烯裂解裝置中工藝性非常強(qiáng)的關(guān)鍵設(shè)備。 急冷換熱器主要有兩個(gè)任務(wù)：一是將800℃左右的高溫裂解氣迅速冷卻至二次反應(yīng)溫度以下，減少烯烴損失；二是盡可能多地回收裂解氣的高位熱能，產(chǎn)生12.0MPa 左右的高壓蒸汽［1］。 某廠乙烯裂解裝置立式急冷換熱器運(yùn)行11 年后， 在殼體上管板下方150mm 處發(fā)現(xiàn)3 處開裂，造成氣體外漏，只能停車檢修，這直接影響了生產(chǎn)進(jìn)度。 為了防范此類失效事故的發(fā)生，有必要分析換熱器殼體開裂的原因，并提出應(yīng)對(duì)舉措。

1 急冷換熱器概況

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器的尺寸規(guī)格為DN1600mm×64mm，主要技術(shù)參數(shù)為：

設(shè)計(jì)溫度（入口/出口） 殼程343/-15℃

管程482/-15℃

操作溫度（入口/出口） 殼程329.0/329.1℃

管程417.8/346.1℃

設(shè)計(jì)壓力（入口/出口） 殼程13.70MPa /F.V

管程0.85MPa

操作壓力 殼程 11.30MPa

管程 0.15MPa

介質(zhì) 殼程鍋爐水（pH 值 9.0～10.5）

管程裂解爐流出物

材料 殼程13MnNiMoNbR

換熱管SA213T11

2 理化分析

2.1 宏觀檢查

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體外壁無(wú)明顯腐蝕坑，內(nèi)壁表面有少量凹坑，存在一條臺(tái)階狀主裂紋和兩條二次裂紋，裂紋已沿厚度方向完全開裂（圖1a～c）。該急冷換熱器殼體裂紋斷口表面凹凸不平，附著有大量腐蝕產(chǎn)物，但無(wú)明顯塑性變形。

2.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，將分析結(jié)果列于表1。由表1 可知，該急冷換熱器殼體的化學(xué)成分符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對(duì)13MnNiMoNbR 鋼的要求。

圖1 急冷換熱器殼體宏觀形貌及取樣位置

表1 殼體材料的化學(xué)成分 wt%

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體完好部位取樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)和0℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 殼體的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可以看出，該立式急冷換熱器殼體的下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和V 形沖擊吸收功均符合GB 713—2014 中對(duì)13MnNiMoN-bR 鋼的要求。

2.4 金相分析

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體徑向截面裂紋形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出，殼體徑向截面存在由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的裂紋，裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂的特點(diǎn)，金相組織為貝氏體，如圖3a～c 所示。

圖2 急冷換熱器殼體徑向截面裂紋形貌 ×50

圖3 急冷換熱器殼體金相組織

2.5 斷口掃描電鏡與能譜分析

采用日本電子JSM-6510 掃描電鏡對(duì)乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體裂紋斷口進(jìn)行微觀形貌分析。 從掃描電鏡照片可以看出，原始斷口表面存在大量腐蝕產(chǎn)物（圖4a）；清洗后的斷口呈現(xiàn)沿晶開裂的特征， 且存在大量的沿晶二次裂紋，為典型的堿應(yīng)力腐蝕開裂，同時(shí)斷口還有少量腐蝕坑（圖4b）。

圖4 急冷換熱器殼體裂紋斷口掃描電鏡照片

急冷換熱器殼體裂紋斷口表面腐蝕產(chǎn)物的能譜圖如圖5 所示，能譜分析結(jié)果列于表3。由圖5、表3 可知，腐蝕產(chǎn)物中 O、Al、Ca 含量較高，說(shuō)明存在大量氧化物。

圖5 腐蝕產(chǎn)物能譜圖

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

（續(xù)表3）

3 開裂原因

常見的對(duì)堿腐蝕較敏感的材料有碳鋼、低合金鋼和300 系列不銹鋼，而乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體材料為13MnNiMoNbR 鋼， 屬于低合金鋼。 低合金鋼在NaOH 溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂主要是電化學(xué)反應(yīng)的陽(yáng)極過程引起的，該類鋼在NaOH 溶液中受OH-的作用在表面形成鈍化膜， 但鈍化膜容易破口， 破口處受到熱濃NaOH的強(qiáng)腐蝕作用，其反應(yīng)式為：

當(dāng)NaOH 充分濃縮至5%以上時(shí)， 鋼表面的磁性氧化鐵會(huì)被溶解，而露出活性表面［2］。

急冷換熱器殼體的裂紋位于焊縫附近的熱影響區(qū)，該區(qū)域作用著3 類應(yīng)力：受焊接影響存在的殘余應(yīng)力；因殼體內(nèi)部溫度分布不均存在的熱應(yīng)力；外載荷引起的應(yīng)力。 這3 類拉應(yīng)力共同作用為堿應(yīng)力腐蝕提供了應(yīng)力條件。

堿腐蝕介質(zhì)必須為熱濃堿液，堿液的濃度越高，堿腐蝕的敏感性越大。 急冷換熱器殼體介質(zhì)溫度較高且呈堿性［3］，再加之水量不足，氣液交界處易產(chǎn)生局部濃縮堿環(huán)境［4］，為堿應(yīng)力腐蝕提供了溫度和介質(zhì)條件。

綜上分析可知，該乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體開裂是材料對(duì)堿應(yīng)力腐蝕敏感造成的。

4 結(jié)束語(yǔ)

乙烯裂解裝置立式急冷換熱器殼體選用的材料對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開裂較敏感，殼體內(nèi)壁氣液交界處存在濃縮堿環(huán)境，易引發(fā)局部堿腐蝕，形成腐蝕坑或微裂紋，在焊接殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力的共同作用下，不斷由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，最終發(fā)生開裂。 對(duì)此，應(yīng)盡量降低設(shè)備焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，焊后需進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理；保證足夠的水流量、減少游離堿，確保介質(zhì)堿濃度符合設(shè)計(jì)要求；加入緩蝕劑進(jìn)行腐蝕的有效防護(hù)；實(shí)施內(nèi)窺鏡定期檢驗(yàn)的辦法。 只有多環(huán)節(jié)管控，才能盡可能延長(zhǎng)急冷換熱器的使用壽命，保證乙烯裂解裝置的安全平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行。