乙烯裂解爐鎳基爐管焊接修復開裂原因分析及對策

鄧躍兵，徐世雄，熊衛(wèi)國，江華奇，張揚任，陳偉煌

1.中石化南京工程公司 江蘇南京 210046

2.福建聯(lián)合石油化工有限公司 福建泉州 362800

1 序言

某公司乙烯裝置2#裂解爐輻射段爐，管于2015年7月全部更換投用生產(chǎn)運行至2020年3月，該爐輻射段二程24根爐管出現(xiàn)破裂，爐管中裂解原料泄漏噴射到爐膛中燃燒，被迫緊急停爐搶修。

該爐管材質(zhì)為25Cr-35Ni-Nb+MA，屬鎳基材料，規(guī)格為φ120mm×7mm，爐管內(nèi)介質(zhì)操作壓力為0.33MPa，爐管在爐膛內(nèi)垂直分布，如圖1所示。爐管外壁溫度達1115℃，爐管內(nèi)介質(zhì)為循環(huán)乙烷，管外介質(zhì)為燃料氣燃燒產(chǎn)生的煙氣。該爐管設計使用壽命為10萬h，至爐管出現(xiàn)破裂累計生產(chǎn)運行時間約為3.6萬h。爐管內(nèi)原料裂解過程中，在爐管內(nèi)壁不斷結(jié)焦，需周期性停產(chǎn)燒焦或清焦，這使得裂解爐需周期性的開停車，這些特點決定了裂解爐輻射段爐管容易產(chǎn)生高溫蠕變和應力開裂、滲碳、高溫氧化腐蝕等形式的破壞。

圖1 爐管分布狀況

表1 管材內(nèi)外壁化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

由于搶修時間緊，新爐管無法備齊，不能全部更換二程爐管及其彎頭，只能對破裂爐管（以下簡稱“舊爐管”）處及嚴重損壞變形段（約8m）進行更換，故存在新舊爐管焊接問題。由于舊爐管材質(zhì)劣化嚴重，焊接性差，焊接作業(yè)難度大，所以新舊爐管焊接過程中容易出現(xiàn)大量裂紋。

為便于完成破裂鎳基爐管焊接修復工作，解決新舊爐管焊接裂紋問題，對形成裂紋原因進行綜合分析，并提出解決措施。

2 破裂爐管分析

（1）宏觀檢查 對破裂爐管進行宏觀檢查，通過目測發(fā)現(xiàn)該爐管蠕變嚴重（見圖2），經(jīng)測量最大直徑與最小直徑相差達33mm。斷口金屬無拉伸狀態(tài)，為典型脆性斷裂，且在斷裂截面發(fā)現(xiàn)了肉眼可見的宏觀裂紋（見圖3）。圖3表明，該爐管發(fā)生明顯的高溫蠕變和應力開裂。

圖2 蠕變嚴重

圖3 爐管脆性斷裂

（2）化學成分分析 對爐管破裂處截取一小段爐管母材（25Cr-35Ni-Nb+MA）進行了化學成分分析，結(jié)果見表1。內(nèi)外壁的碳含量（質(zhì)量分數(shù)）分別為2.86%和0.83%，均超過了該材料技術標準要求的0.45%，碳含量嚴重超標，爐管內(nèi)已出現(xiàn)明顯的滲碳現(xiàn)象。其他元素含量均符合裂解爐爐管的相關技術要求。

（3）低倍酸蝕試驗 對截取下來的一小段爐管母材，進行低倍酸蝕試驗，觀察橫截面的滲碳情況，滲碳層的最小厚度占壁厚比例約30%，而滲碳層厚度最大處占壁厚比例100%，如圖4所示。滲碳層的厚度直接決定了焊接的難度，滲碳層越深焊接難度越大。維氏硬度測試，爐管滲碳后硬度明顯上升，針對25Cr-35Ni-Nb+MA材料，一般未滲碳的區(qū)域硬度值為180～200HV10，滲碳區(qū)域的硬度值為210～250HV10。對低倍酸蝕試驗后（滲碳層厚度占壁厚比例依次為100%、60%、50%和30%）不同滲碳層區(qū)域各取兩處進行維氏硬度測試，試驗結(jié)果如圖5所示。測試結(jié)果表明，硬度隨著滲碳層厚度占壁厚比例增大而增大，并由管內(nèi)壁向外呈下降的趨勢。滲碳層厚度占壁厚比例＜60%的管壁，其硬度增大較少，符合標準SHS03001—2004《管式裂解爐維護檢修規(guī)程》的規(guī)定，當滲碳層厚度占壁厚比例＞60%時，就應當考慮更換輻射段爐管。

圖4 低倍酸蝕照片

3 焊接修復裂紋分析

由上述破裂爐管材料分析可知，爐管材質(zhì)劣化集中表現(xiàn)在高溫蠕變、滲碳、硬度、脆性等明顯上升，故導致強度、塑性、韌性等相應下降，焊接性變差。

實踐證明，對于滲碳層厚度小于占壁厚比例60%的舊爐管，其碳化層硬度超標不多，材質(zhì)劣化程度相對較低，采用在舊爐管坡口表面先用氬弧焊堆焊抗裂性好的高鎳焊絲ERNiCr-3，厚度為3～5mm的過渡層，然后再選與舊爐管同材質(zhì)的新爐管與有堆焊層的舊爐管氬弧焊對接，基本能夠完成破裂爐管修復任務。

在滲碳層厚度大于壁厚約60%的舊爐管堆焊過渡層后與新爐管焊接容易產(chǎn)生焊接裂紋。分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的焊接裂紋基本出現(xiàn)在打底、填充或蓋面焊道的熔合線處，靠近舊爐管堆焊層側(cè)，并且是在焊縫熔池結(jié)晶過程中產(chǎn)生的，因此屬于結(jié)晶裂紋（見圖6）。

圖5 維氏硬度試驗結(jié)果

產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的兩個必要因素：一是焊縫熔池金屬結(jié)晶時必須有低熔點物質(zhì)產(chǎn)生；二是存在較大的應力，如缺少其中一個因素，結(jié)晶裂紋就無法產(chǎn)生。滲碳層厚度大于壁厚約60%的舊爐管，材質(zhì)嚴重劣化，其滲碳層硬度超標嚴重，焊接性變得很差，現(xiàn)場無法改善其力學性能，即使有堆焊層也無法避免在焊接過程中產(chǎn)生低熔點物質(zhì)和雜質(zhì)，因此要消除焊接結(jié)晶裂紋，只有通過最大程度地減小應力來實現(xiàn)。

當新舊管對接焊接時，由于存在三個方面拘束應力（焊接拘束力、爐管自身重力或強制組裝應力等），加之新更換的爐管長度約8m（由于爐管破裂處兩側(cè)都伴有嚴重的高溫蠕變，需更換的爐管長度都在2m以上），自身重力較大，使新管組對后無法保證垂直狀態(tài)，故存在一定的側(cè)向力（見圖7）。這樣在焊接熱循環(huán)和應力作用下，會使焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋或在原高鎳合金堆焊層的熔合線處產(chǎn)生再熱裂紋。

圖6 焊縫熔合線裂紋

4 消除焊接裂紋的措施

由上述裂紋成因分析得知，主要是更換的新管產(chǎn)生的較大外力導致易產(chǎn)生焊接裂紋，若采用堆焊過渡層+增焊過渡短節(jié)（≥100mm）可以消除焊接裂紋。即在殘存的舊爐管坡口表面采用鎳基焊材氬弧焊堆焊一定厚度的過渡層，再用氬弧焊將長度≥100mm的新爐管短節(jié)與有堆焊層的老爐管對接焊（見圖8），再將需更換爐管的剩余部分與新爐管短節(jié)對接焊。

圖7 受力圖

圖8 舊爐管與新爐管短節(jié)組對焊接后的結(jié)構(gòu)形式（δ=3～5mm，α=60°）

采用堆焊過渡層+增焊過渡短節(jié)方法，使舊爐管與新爐管短節(jié)組對焊接時，避免了新爐管自身重力和強制組裝應力，焊縫拘束應力大幅減小，不容易在新爐管短節(jié)與舊爐管間焊接時產(chǎn)生熱裂紋。而在之后的新管之間焊接時，由于不存在雜質(zhì)問題，所以即使存在較大的拘束應力也會減少新管焊縫產(chǎn)生熱裂紋的概率。而對于新舊管連接焊縫，由于中間有短接間隔，新管焊縫的焊接熱循環(huán)不會對其產(chǎn)生影響，因此不會產(chǎn)生再熱裂紋。

該方法使用過程中必須控制舊爐管坡口表面堆焊層厚度和熔合比，控制過渡短節(jié)與帶有堆焊層舊爐管焊接的打底焊道厚度及各層焊接熱輸入，控制各層間溫度。新舊爐管焊接時，若焊接熱輸入過大，會在舊爐管堆焊層側(cè)母材處產(chǎn)生裂紋（見圖9），合適的焊接參數(shù)見表2。

圖9 舊爐管側(cè)母材裂紋

表2 手工鎢極氬弧焊焊接參數(shù)

采用此焊接修復技術，有效地解決了滲碳層厚度大于壁厚約60%的舊爐管焊接修復中產(chǎn)生熱裂紋的問題，使得乙烯2#裂解爐輻射段二程24根破裂爐管得到及時修復。

堆焊過程說明：①控制第一層堆焊熔合比＜20%。②堆焊過程不得擺動。③各焊道和層間溫度＜100℃。④控制堆焊層厚度＞3mm。⑤堆焊完成后需經(jīng)100%PT檢測合格。

新舊爐管對接過程說明：①組對間隙＜2mm。②打底層厚度＜2mm。③控制層間溫度＜100℃。④各層施焊時不得擺動。

5 結(jié)束語

采用堆焊過渡層+增焊過渡短節(jié)技術，即在殘存的舊爐管坡口表面采用ERNiCr-3焊絲氬弧焊堆焊一定厚度的過渡層，再用氬弧焊將新爐管長度≥100mm的短節(jié)與有堆焊層的舊爐管對接焊，可以有效地解決乙烯裂解爐新舊爐管焊縫產(chǎn)生熱裂紋的問題。