乙烯裂解爐輻射段爐管鼓包開裂失效分析

劉海波，王 君，沈 源，徐燁璘，姜浩暉

(1.浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江 嘉興 314300；2.海鹽縣三地自來水有限公司，浙江 嘉興 314300)

乙烯裂解爐是乙烯裝置的核心設(shè)備[1]，長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下服役,易發(fā)生輻射段爐管的失效。離心鑄造的乙烯裂解爐爐管，材質(zhì)為ZGCr25Ni35Nb[2]，具有良好的抗高溫蠕變、抗高溫氧化和抗高溫滲碳性能 。送檢失效爐管安裝于乙烯裂解管輻射爐膛，爐膛操作溫度為1 100 ℃，管內(nèi)壓力為0.07～0.13 MPa，在熱輻射下運(yùn)行，爐管處于自由懸垂?fàn)顟B(tài)，兩端僅受彈簧支吊架拉撐，兩端與連接部件組對(duì)焊。為確定爐管失效模式，避免類似問題再次發(fā)生，有必要對(duì)鼓包泄漏的爐管進(jìn)行失效分析。

1 失效分析

1.1 宏觀分析

送檢爐管失效部位見圖1。由圖1可見,失效部位為爐管彎曲段管徑由大變小的突變處，鼓包開裂部位附近存在一處焊縫。失效爐管截取段內(nèi)表面宏觀形貌見圖2。將鼓包開裂處標(biāo)記為A，遠(yuǎn)離鼓包處內(nèi)表面標(biāo)記為B，遠(yuǎn)離鼓包處焊縫標(biāo)記為C，鼓包開裂附近焊縫標(biāo)記為D。A區(qū)與B區(qū)表面低倍形貌見圖3。由圖3可以看出A區(qū)表面凹凸不平，存在明顯的腐蝕痕跡，且該處壁厚較薄，B區(qū)表面完整致密，無明顯腐蝕現(xiàn)象。C區(qū)與D區(qū)焊縫宏觀形貌見圖4。由圖4可見C區(qū)焊縫余高約4 mm，管壁厚度約6 mm，D區(qū)焊縫余高不足2 mm，管壁厚度最小處約3.2 mm。C區(qū)焊縫表面光滑致密，無明顯腐蝕痕跡，D區(qū)焊縫表面凹凸不平，存在明顯的腐蝕溝槽。

(a)

(b)

圖2 失效爐管截取段宏觀形貌

圖3 爐管內(nèi)表面低倍形貌

圖4 不同區(qū)域焊縫宏觀形貌對(duì)比

1.2 斷口形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)A區(qū)內(nèi)表面形貌進(jìn)行觀察，內(nèi)表面微觀形貌見圖5。由圖5可見，有明顯的腐蝕孔洞及二次裂紋。斷口微觀形貌見圖6。由圖6可見，有明顯的枝晶間疏松以及顯微孔洞。

圖5 A區(qū)內(nèi)表面微觀形貌

圖6 斷口微觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在失效部位A區(qū)與完好部位B區(qū)心部取樣，采用碳硫分析儀及ICP電感耦合等離子發(fā)射光譜進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表1。由表1可知,材質(zhì)成分符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于ZGCr25Ni35Nb材質(zhì)的要求。

1.4 硬度檢測(cè)

在爐管A區(qū)、B區(qū)內(nèi)表面金相組織見圖7，A區(qū)和B區(qū)中心部位金相組織見圖8。

表1 失效爐管化學(xué)成分分析 w，%

圖7 不同區(qū)域內(nèi)表面金相組織

圖8 不同區(qū)域心部金相組織

在爐管A區(qū)、B區(qū)內(nèi)壁近表面以及中心部分別進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，結(jié)果見表2。由表2可見A區(qū)內(nèi)壁近表面硬度明顯高于B區(qū)與中心部，說明該區(qū)域表面存在滲碳現(xiàn)象。

表2 不同區(qū)域近表面硬度測(cè)試結(jié)果 HV

2 結(jié)果與討論

送檢爐管失效部位為爐管彎曲段，且為管徑由大變小的突變處，從送檢試樣宏觀形貌可見失效部位附近有腐蝕痕跡，局部可見明顯的鼓包現(xiàn)象。測(cè)量后發(fā)現(xiàn)失效部位附近壁厚已明顯減薄，剩余壁厚僅約2 mm，而完整管壁厚度約6 mm，壁厚損失約67%。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，失效部位斷口可見明顯的晶間疏松，此類缺陷割裂基體連續(xù)性，降低局部性能。金相分析與硬度檢測(cè)顯示，失效部位存在明顯的滲碳與蠕變孔洞。滲碳會(huì)導(dǎo)致表面性能惡化和出現(xiàn)早期損傷[3]。另外，滲碳導(dǎo)致爐管內(nèi)表面貧鉻會(huì)降低其氧化物膜的形成能力，致使?fàn)t管抗腐蝕能力降低[4-6]。經(jīng)檢測(cè)，失效部位附近焊縫處存在約4 mm的焊接余高，且對(duì)焊的連接部件管徑明顯與失效件管徑不同，導(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)在該部位流速發(fā)生改變，甚至形成渦流，導(dǎo)致該區(qū)域溫度場(chǎng)發(fā)生改變，且內(nèi)壁表面氣流沖刷加劇。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的滲碳現(xiàn)象或蠕變孔洞。分析認(rèn)為，管徑突變以及焊縫余高過大是導(dǎo)致爐管內(nèi)壁腐蝕減薄及蠕變開裂的主要原因。

3 結(jié) 論

(1)送檢爐管失效模式為壁厚腐蝕減薄后發(fā)生蠕變開裂；

(2)引起爐管內(nèi)壁腐蝕減薄及蠕變開裂的主要原因是管徑突變以及焊縫余高過大導(dǎo)致溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等發(fā)生改變。