淺析某裂解爐爐管彎頭穿孔失效原因

于明明

（中國石油撫順石化分公司烯烴廠，遼寧撫順 113006）

0 引言

某車間現(xiàn)有8 臺裂解爐，使用美國斯通韋伯斯特（S&W）公司的專利技術(shù)，由惠生公司制造。1#～7#爐為USC-176C 型管式裂解爐，8#爐為USC-12M 循環(huán)氣裂解爐，其中USC-12M 型循環(huán)氣裂解爐為單爐膛（輻射室）結(jié)構(gòu)。2017 年9 月發(fā)現(xiàn)8#爐一爐管下方出口的180°鑄造彎頭發(fā)生穿孔泄漏，彎頭生產(chǎn)時所處環(huán)境溫度為1100 ℃，壓力在0.3～0.4 MPa，介質(zhì)為裂解氣和稀釋蒸汽，設(shè)計材料為HP MICRO，2012 年10 月投產(chǎn)使用（圖1）。HP 合金是裂解爐常用高溫耐熱材料，作為HP 裂解爐管彎頭，工作環(huán)境相對較差，因合金彎頭穿孔失效等引起裂解爐異常停車，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 8#爐管彎頭

1 檢測與分析

1.1 宏觀及低倍觀察

失效部位外壁可見穿孔位于彎頭的肩部，穿孔部位的孔徑約7 mm，穿孔部位邊緣銳利，說明管壁減薄嚴(yán)重（圖2）。觀察內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)失效部位主要呈渦流狀，并可見明顯的流體渦旋前進(jìn)的痕跡，同時可見穿孔部位附近有明顯的固體顆粒沖刷后的凹坑和針孔形態(tài)（圖3）。

圖2 失效部位外壁形態(tài)

圖3 失效部位內(nèi)壁形態(tài)

1.2 材料分析

用直讀光譜儀對彎頭的化學(xué)成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)很多元素的檢測平行效果很差，其中Si 和Cr 元素經(jīng)過多次、多點檢測，結(jié)果相差較大，說明組織不均勻（表1）。其他元素的平均含量符合HP40Nb 的化學(xué)成分規(guī)定[1-2]。

表1 彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果 Wt. %

1.3 微觀觀察

對失效部位附近的內(nèi)壁形貌進(jìn)行微觀觀察，可見內(nèi)壁有明顯的空洞、微裂紋形貌，同時有沖擊留下的凹坑形貌（圖4）。分析失效部位內(nèi)壁的表面成分，除了金屬本體元素外，還含有Al、Si 和Mn、O 等元素，結(jié)合工藝情況可知，這些元素應(yīng)該來自于催化劑。

圖4 失效部位附近內(nèi)壁微觀形貌觀察（200 倍）

1.4 金相檢驗

彎頭的金相組織主要是奧氏體骨架結(jié)構(gòu)，晶間有明顯的二次碳化物析出（圖5）。

圖5 彎頭失效部位的金相組織

2 彎頭穿孔原因分析

通過觀察失效部位的宏觀和微觀形貌發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)壁有明顯的流體走向的弧線形貌，同時有流體高速沖擊留下的空洞和針孔形貌，彎頭表面未見明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積，彎頭微觀形貌可見表面有擠壓的凹坑結(jié)構(gòu)，說明彎頭的失效與流體的沖刷磨損，即沖蝕有關(guān)。

彎頭的沖刷減薄是一種常見的失效現(xiàn)象。沖刷減薄是以介質(zhì)中零落的小片狀物質(zhì)，按照一定的角度或速度對彎頭材料表面進(jìn)行沖刷，造成的一種損耗現(xiàn)象或過程。根據(jù)物理作用機(jī)理，本次沖蝕就是氣流攜帶固態(tài)小粒子沖擊材料表面產(chǎn)生的沖蝕，即噴砂型沖蝕，其中也稍有氣流攜帶小液滴沖擊彎頭表面產(chǎn)生的沖蝕。從能譜分析中可見失效部位表面，結(jié)合工藝情況，說明固態(tài)的焦粉顆粒是沖蝕的主要磨料。

沖蝕主要受焦粉顆粒的速度、粒度、可碎性及材料強(qiáng)度、物理性能等要素影響，介質(zhì)有無固狀顆粒是影響沖蝕的最主要因素。焦粉流經(jīng)彎頭的路徑，主要在于顆粒的大小、重量和介質(zhì)外加施焦粉顆粒的作用力。重量輕的焦粉顆粒只要受到外界很小作用力，就能使焦粉改變方向，沿著流體實際方向流動。往往大顆粒具有較高的動量，介質(zhì)流體所產(chǎn)生的牽引力就很難改變它的運動方向。當(dāng)有大顆粒介質(zhì)流動時，它們直接碰向彎頭的壁，介質(zhì)就被反彈開來。

通過其他文獻(xiàn)分析不同角度彎管中的介質(zhì)軌跡和壓力分布[3]，在介質(zhì)流入彎管過程中，受到彎管外側(cè)的內(nèi)壁阻擋，流動受阻的小部分流體被擠壓壓縮，形成了局部高壓區(qū)，角度越大壓力越高，因此180°彎管的高壓區(qū)也是最大的。即彎管角度為180°時，其沖蝕強(qiáng)度和面積最大。

上述分析可見，介質(zhì)在彎頭外部內(nèi)壁形成高壓區(qū)，沖刷彎頭內(nèi)壁，造成高壓區(qū)內(nèi)壁大面積減薄，形成失效彎頭?；旌辖橘|(zhì)中的焦粉顆粒對該區(qū)域中的更小范圍集中碰撞、切削、沖擊，使得在該處沖蝕更加嚴(yán)重；同時，流體彎頭區(qū)域形成渦流，使得沖蝕向更深度方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致局部區(qū)域減薄嚴(yán)重，發(fā)生穿孔。另外，彎頭的金相組織局部也有高溫弱化的現(xiàn)象，這也在一定程度上降低了抗沖蝕的性能。

3 建議

失效的180°彎頭的材料分析和金相檢驗結(jié)果表明，其Cr和Si 含量測試中結(jié)果無法平行，無法取得平均值，說明彎頭成分不均勻。彎頭的失效機(jī)制屬于局部的沖刷減薄，主要原因是焦粉粒子在彎頭的外側(cè)內(nèi)壁形成高壓帶和渦流區(qū)，最終導(dǎo)致局部穿孔泄漏。

（1）可根據(jù)實際彎頭的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行流態(tài)模擬，確認(rèn)彎頭的高壓區(qū)和渦流區(qū)位置，為進(jìn)一步防護(hù)設(shè)計做依據(jù)。

（2）必要時可改變渦流區(qū)和高壓區(qū)的單側(cè)壁厚，提高抗磨損性能。

（3）可對流體狀態(tài)和彎頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決磨損問題。

（4）優(yōu)化工藝操作，盡量減弱焦粉顆粒對彎頭的沖刷減薄。