乙烯裂解爐翅片管焊縫斷裂原因分析

孟亞惠，包文紅，張 婧，馬曉飛

(甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050)

乙烯生產(chǎn)裝置在石化生產(chǎn)中起到龍頭作用，乙烯裂解爐作為乙烯裝置的第一部分，是整套裝置的核心設(shè)備，裂解爐的生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性也直接決定了整套乙烯裝置的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量。裂解爐中的對流段翅片管發(fā)生腐蝕失效的情況時常發(fā)生[1-2]，給生產(chǎn)安全和穩(wěn)定性造成了極大的影響。因此，本文對翅片管失效的原因進行分析，從而采取有針對性的改進措施，以提高整套裝置的安全運行。

1 失效概況

某石化公司乙烯廠裂解爐Z型段上方冷蒸汽過熱爐管自2006年投用，在2021年檢修期間發(fā)現(xiàn)對流過熱段翅片管焊縫開裂。失效翅片管位于乙烯裂解爐對流過熱段，主要是將管內(nèi)裂解原料預(yù)熱、汽化，并過熱至裂解反應(yīng)起始溫度，即橫跨溫度，此段溫度較高。翅片管材質(zhì)為S30409，規(guī)格為?114 mm×11.13 mm，長度15 m。管內(nèi)為超高壓蒸汽，溫度520～580 ℃，壓力11.2 MPa，管外部為裂解爐煙氣，溫度約為730 ℃。

2 試驗分析

對失效翅片管進行宏觀檢測，裂紋沿厚度方向完全穿透，觀察斷口形貌，可發(fā)現(xiàn)多個起裂源，整體形貌分為起裂區(qū)、擴展區(qū)、人為砸斷區(qū)，見圖1。

圖1 失效翅片管宏觀斷口形貌

采用SpectroMAXx型直讀光譜儀對翅片管起裂區(qū)焊縫部位和母材分別進行化學(xué)成分分析，SHT4505型電液伺服萬能試驗機與ZBC1501-BG型常低溫沖擊設(shè)備對失效翅片管力學(xué)性能進行測試，MH-500A型維氏顯微硬度計對斷裂部位焊縫，熱影響區(qū)以及母材區(qū)硬度進行測試，DSX500i型超景深三維金相光學(xué)顯微系統(tǒng)進行金相分析，Zeiss Neon 60型掃描電鏡進行斷口微觀分析與腐蝕產(chǎn)物能譜分析。試樣取樣位置見圖2。

圖2 失效翅片管取樣部位(單位：mm)

2.1 化學(xué)成分

對翅片管焊縫部位和母材分別進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，母材化學(xué)成分符合《石油裂化用無縫鋼管》(GB/T 9948—2013)對S30409不銹鋼的要求。焊縫采用E308H焊絲進行焊接，但管外壁焊縫碳含量超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效翅片管焊縫及母材質(zhì)量分數(shù)測試結(jié)果及對比

2.2 力學(xué)性能

對翅片管母材的常溫力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2，結(jié)果符合《石油裂化用無縫鋼管》(GB/T 9948—2013)對S30409不銹鋼的要求。從焊縫斷口到母材每間隔0.08 mm檢測維氏硬度，檢測結(jié)果見圖3，焊縫區(qū)硬度與母材區(qū)相當(dāng)，但熱影響區(qū)卻明顯高于焊縫與母材區(qū)。

表2 失效翅片管母材力學(xué)性能測試結(jié)果

圖3 失效翅片管斷口硬度

2.3 翅片管壁厚測量

從焊縫斷口每間隔20 mm測量厚度值，共取7點測量，對外壁進行壁厚測量，結(jié)果見圖4。失效翅片管去除腐蝕層前平均厚度為10.65 mm，去除腐蝕層后平均厚度為10.58 mm，腐蝕層平均厚度為0.07 mm。

圖4 翅片管試樣去除腐蝕層前后厚度

2.4 金相組織

沿焊縫橫切面進行金相觀察，斷口及焊縫芯部均有數(shù)條沿管外壁向內(nèi)擴展的樹枝狀裂紋(見圖5(a))，斷口上微裂紋被大量的腐蝕坑包圍(見圖5(b))，許多腐蝕坑密集分布并連接成線，導(dǎo)致開裂，沿腐蝕坑連接成的裂紋萌生出許多細小的裂紋沿管壁厚度方向延伸(見圖5(c))。奧氏體不銹鋼的敏化溫度范圍為450～850 ℃[3]，而翅片管長期運行溫度為溫度520～580 ℃，正好處于敏化溫度范圍內(nèi)，晶界周圍產(chǎn)生貧鉻形成裂紋(見圖5(d))。熔合線附近組織為奧氏體+樹枝狀δ鐵素體(見圖5(e))，熱影響區(qū)組織為奧氏體+樹枝狀α鐵素體(見圖5(f))。

圖5 失效翅片管金相組織

2.5 斷口微觀分析

通過對斷口微觀形貌分析，斷口呈沿晶和解理的脆性斷裂，覆蓋著大量的腐蝕產(chǎn)物。管內(nèi)外壁焊縫柱狀晶組織生長方向不同，沿不同柱狀晶晶界方向開裂裂紋交匯呈“人字紋”(見圖6(a))；管內(nèi)外壁焊縫組織方向不同，在較高放大倍數(shù)下觀察得出微觀斷口呈現(xiàn)沿晶斷口和解理斷口的混合斷口模式(見圖6(b)、(c)和圖7)，晶粒表面有腐蝕花紋。圖6(d)為起裂源處的斷口微觀形貌呈沿晶斷口花樣，“逆流而上”的方向為裂紋的起始區(qū)。圖7為斷口中的沿晶二次裂紋，且晶粒表面充滿腐蝕花樣，符合典型的應(yīng)力腐蝕斷口特征。

圖6 失效翅片管微觀斷口形貌

圖7 失效翅片管斷口中的二次裂紋形貌

2.6 腐蝕產(chǎn)物分析

對翅片管焊縫內(nèi)二次裂紋進行能譜分析，如圖8所示。焊縫部位發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，在焊縫腐蝕部位觀察到2層焊道的交界面，且觀察到明顯的柱狀晶形貌。斷口表面覆蓋1層腐蝕產(chǎn)物，元素C、O、S、Na含量較高。其中：C來源于乙炔裂解爐對流段翅片管中裂解原料；O來源于煙氣中過剩的O2；S來源于管道煙氣；Na來源于高溫蒸汽。二次裂紋內(nèi)Cl含量平均值達0.25%，S含量平均值為0.27%，Na含量平均值達1.27%，也證明了該翅片管內(nèi)壁長期在含氯、含硫的煙氣中，而氯離子和硫酸根離子是造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)[4]。另外，發(fā)現(xiàn)堿金屬Na含量較高，可能是由于乙烯裂解工藝過程中，除乙烯裂解原料中含一定量的Na+，在生成稀釋蒸汽的過程中，為了滿足工藝水的pH值(7～9)要求，通常會加入堿(NaOH)，也是焊縫存在大量Na元素的原因之一[5]。

圖8 失效翅片管斷口腐蝕斷面形貌及能譜圖

3 失效原因分析

1)焊縫金相組織中存在大量裂紋。

對于高溫下使用的奧氏體不銹鋼，為保證高溫強度，碳含量需控制在0.04%以上。爐管的焊縫和母材碳含量均為0.07%～0.10%，較高的碳含量使之對敏化比較敏感。翅片管長期運行溫度為520～580 ℃，正好處于敏化溫度范圍內(nèi)，碳原子體積小，在金屬中擴散能力較大，過飽和的碳會在晶界形成鉻的碳化合物，使晶界周圍產(chǎn)生貧鉻區(qū)[6]。焊縫內(nèi)部局部裂紋的形成由鉻的碳化物引起，焊縫晶界形成的鉻的碳化物，破壞晶界的連續(xù)性，會造成晶界脆化，在工作應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，在鉻的碳化物處萌生裂紋，并沿晶界擴展。母材金相組織中的奧氏體晶界存在大量呈網(wǎng)狀分布鉻的碳化物，造成焊縫晶界開裂。焊縫中心裂紋由外壁向內(nèi)壁以穿晶和沿晶并存的方式擴展，分支較少；但焊縫外壁邊緣呈樹枝狀裂紋。焊縫表面C、O、S、Na含量較高，焊縫敏化促使腐蝕加劇，鉻的碳化物形成的裂紋與腐蝕疲勞形成的裂紋進行合并，促進腐蝕疲勞裂紋的擴展[7]。

2)運行環(huán)境加速了焊縫腐蝕。

失效翅片管位于乙烯裂解爐對流過熱段，處于高溫反應(yīng)區(qū)。翅片管焊縫材料為對應(yīng)力腐蝕敏感的奧氏體不銹鋼焊材，一方面由于翅片管長期在高溫?zé)煔庵?，而Cl、S元素是造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)，加之翅片管外高溫?zé)煔庵羞€含有H2O、O2、CO2等組分可加劇腐蝕開裂；另一方面焊接殘余應(yīng)力及加之翅片管內(nèi)外存在溫差，外壁溫度較高使得管束中存在著一定的拉伸熱應(yīng)力；同時管束中的內(nèi)壓載荷也會對翅片管產(chǎn)生拉伸應(yīng)力等，多重拉應(yīng)力疊加會首先選擇在組織較為薄弱的焊縫腐蝕開裂。另外，在生產(chǎn)操作中偶爾會發(fā)生稀釋蒸汽帶水的問題，蒸汽中就會夾帶有一定的含堿水滴，與SO3生成Na2SO4，隨原料溫度的升高，液相水蒸發(fā)，Na2SO4在焊縫處流速較低，從而與NaCl生成低熔點共晶物Na2SO4-NaCl(熔點630 ℃)，在焊縫缺陷處沉積，造成焊縫發(fā)生硫化-氧化腐蝕。

4 結(jié)論

1)翅片管焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

2)翅片管焊縫碳含量較高，在不銹鋼敏化溫度區(qū)間運行，發(fā)生敏化；工作應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力的共同作用下，在鉻的碳化物處萌生裂紋；環(huán)境中的煙氣在翅片管中形成低熔點共晶物Na2SO4-NaCl，在裂紋處發(fā)生硫化-氧化腐蝕，加劇了裂紋擴展，最終開裂。

3)建議整體更換翅片管；為了避免或者減緩腐蝕，盡可能控制煙氣中腐蝕性介質(zhì)Cl、S的含量；降低或消除爐管波動熱應(yīng)力，確保爐管運行溫度和壓力穩(wěn)定；檢查吹灰器有無使用不當(dāng)，避免運行過程中吹灰器向?qū)α鞫螤t管吹冷凝液。