HP型爐管破裂失效分析

摘 要：采用宏觀檢查、化學成分分析、金相組織、掃描電子顯微鏡、力學性能測試方法對某石化公司制氫車間試車僅18小時即發生破裂的HP鋼制氫轉化爐爐管進行了析。結果表明：爐管破裂失效的主要原因是高溫蠕變破裂，超溫是導致蠕變發生的直接原因。

關鍵詞：轉化爐爐管；失效分析；蠕變；超溫

引言

制氫轉化爐是高溫下烴類蒸汽轉化制氫裝置中最重要的設備[1]，而爐管則是這些設備的心臟。制氫轉化爐爐管用鋼主要是鑄態HP型耐高溫奧氏體不銹鋼，特別是HP40Nb鋼在碳氧環境中具有很高的抗蠕變、高溫和耐腐蝕的特性[2]，在世界范圍內應用廣泛[3]。但是制氫轉化爐爐管的價值很高，并且其使用溫度高、運行條件復雜苛刻。蠕變、疲勞、侵蝕或腐蝕都是爐管損傷的原因，其中蠕變被認為是導致HP40Nb爐管失效的最主要方式[2]。此外由于爐管服役過程中因操作不當會造成爐管的超溫或者局部溫度過高，持續的超溫運行會進一步導致材料抗蠕變性能降低，蠕變裂紋加速擴展，最終導致爐管的提前失效。因此對于石化制氫爐管開裂進行失效分析與預防是推動石油化學工業發展的一個重要手段，是提高石油化學工業裝備質量和延長使用壽命的可靠途徑[4-6]，意義重大。

本文分析的爐管材質為HP40Nb耐熱不銹鋼，尺寸為爐管內壓力為1.8MPa，管內介質除含有H2外，還含有CO2、CO和CH4等，爐管的正常工作溫度為820℃，設計使用壽命為10萬h。本次爐管破裂是在開車試運行僅18h發生的，破裂的爐管共有9根，屬于早期失效行為。對其中損傷較嚴重的2#爐管進行分析，找到其失效的原因，為以后防止此類事故的發生提供依據。

1.宏觀檢查

1.1.破裂管段宏觀形貌分析和蠕脹量測量

破裂管段的宏觀形貌如圖1所示，裂紋走向沿爐管軸向發展，裂紋彎曲，裂紋前端分叉明顯（圖1b）。裂紋長度740mm，破口上方裂紋前端蠕脹量3.4%，破口下方裂紋前端蠕脹量為2.6%，裂紋尖端50mm以外的爐管無明顯蠕脹。

1.2.破裂管段不同位置著色探傷

對破裂管段距離裂紋上尖端和下尖端500mm處（無損檢測無內部缺陷位置處）的橫截環進行著色探傷以確定距裂紋500mm處爐管的損傷狀態，看是否存在裂紋和微裂紋，以判斷該部位爐管可否繼續使用。探傷結果表明距裂紋尖端500mm處組織中沒發現裂紋和微裂紋（與超聲無損檢測結果一致），如圖2所示。為分析裂紋分布形態，在2#管裂紋上尖端處截取1個環，并在破裂口處截取一片爐管進行著色探傷，截取位置如圖3所示。

從圖4中我們可以看出2#管裂紋尖端環形樣品中分布有明顯的宏觀裂紋（圖4a），裂紋主要集中在爐管壁厚的1/3處，并向管內壁和外壁擴展。從破裂口處截取的爐管片裂紋分布看，外表面有大量網狀的裂紋，內壁則是沿徑向分布的長裂紋。截面上分布大量穿透性裂紋和未穿透裂紋，裂紋產生于壁厚距內表面1/3處，裂紋并沿徑向內、外壁擴展，具有明顯的蠕脹破壞特征 （圖4b，c，d）。

3.金相組織分析

低倍組織可觀察離心鑄管各晶層（柱狀晶和等軸晶）的分布，疏松及夾雜等。從2#管上裂紋尖端距離500mm處截取環形試樣進行低倍組織觀察和分析。從圖5可以看出，爐管并無疏松、夾雜等缺陷，低倍組織形態正常。并且柱狀晶比例滿足中石油制氫轉化爐管質量驗收大綱中規定的不低于50%的要求。

對2#管道分別從裂紋斷口邊緣（試樣1）、斷口側面（試樣2和試樣3）、裂紋背面（試樣4）、裂紋上端距離500mm處取樣一個（試樣5）、裂紋下端距離500mm處（試樣6）位置截取6個試樣，如圖6所示。

從圖7可以看出2#管1、2、3、4位置處的顯微組織與初始鑄態組織相比發生了明顯劣化。具體表現為，組織中的晶界碳化物已由初始鑄態組織中的骨架狀共晶碳化物轉變成網鏈狀，一些地方的碳化物已經連接成較長的鏈狀。晶內奧氏體基體中彌散析出的二次碳化物較少，大部分已經形成顆粒狀。2#管5、6位置處的組織劣化比前4個位置略輕，但也發生了明顯的組織劣化。組織中的晶界碳化物由初始鑄態的骨架狀共晶碳化物轉變成網狀，晶內奧氏體基體中彌散析出的二次碳化物明顯向晶界聚集。作者對制氫爐內沒有發生破裂的爐管現場金相觀察后評估仍有5年的安全使用壽命。說明這批爐管短短18小時安全使用壽命下降了一半多。

4.斷口掃描電鏡分析

斷口分析可以確定斷裂性質，對2#管的斷口進行了掃描電鏡分析。從圖8可以看出，斷口由于高溫破裂氧化，但仍然能看出呈沿晶斷裂特征，符合蠕變破壞特點。

5.力學性能分析

對取自距2#爐管裂紋上下尖端500mm處的試樣進行常溫拉伸，以及900℃高溫短時拉伸，結果如表2所示。根據日本神戶制鋼的標準900℃：屈服強度130MPa，抗拉強度220MPa，斷后伸長率30%。從試驗結果看，2#爐管在900℃時屈服輕度超過日本神戶標準，但斷裂強度和斷后伸長率都小于神戶制鋼的標準，說明材料已經明顯發生劣化。常溫力學性能標準參照ASTM/A351M-1986：屈服強度230MPa，抗拉強度440MPa，斷后伸長率8%。從表2中可以看出，所檢測的試樣屈服強度和斷裂

6.結果與討論

由于爐管組織劣化是一個合金元素原子在組織擴散的結果。在正常的操作溫度范圍內要求這種擴散非常慢，才能保證管材的性能長時間不發生變化或很少發生變化。擴散是一個消耗能量的過程，也就是說只有足夠的能量提供的前提下才能發生，同時也是一個與時間密切相關的問題，也就是說擴散是溫度和時間的函數。之所以本制氫車間的爐管在這么短時間內原子擴散速度這么快，并發生晶界骨架狀共晶碳化物轉變成網鏈狀，晶內的奧氏體基體中二次碳化物有的已經基本消失，有的已經發生明顯長大并向晶界聚集的現象。常溫和高溫力學性能指標也說明材料發生了劣化。綜合結果說明該爐管組織發生了嚴重劣化，運行僅18小時，安全使用壽命下降了一半多，破裂的爐管屬于高溫蠕脹破壞，超溫是導致爐管提前蠕變破壞失效的直接原因。

7.結論與建議

7.1.爐管破裂屬于高溫蠕脹破壞，超溫是導致爐管提前蠕變破壞失效的直接原因。

7.2.爐管的微觀組織已經發生明顯劣化，晶界碳化物已由原鑄態的骨架狀共晶碳化物轉變成網鏈狀，晶內的奧氏體基體中二次碳化物有的已經基本消失，有的已經發生明顯長大并向晶界聚集。

7.3.爐管常溫拉伸性能及高溫短時拉伸性能明顯下降。

7.4.該設備運行時，一定要嚴格按照設計條件控制爐溫。

7.5.為確保設備正常運行，在以后停檢時，應對該爐爐管進行跟蹤檢測和評估。

參考文獻

[1]杜中強.新型制氫轉化爐的應用[J] .北京：石油化工設備技術，2005， 26（2）：40

[2]Wang W Z， Xuan F Z， Wang Z D， et al. Effect of overheating temperature on the microstructure and creep behavior of HP40Nb alloy [J]. Mater.Des.2011， 32： 4010

[3]Chris M， Clement I， John D. Failure analysis and creep remaining life of hydrogen reformer outlet pigtail tubes [J].Eng. Fail. Anal， 2008， 15：1076

[4]陳年金.高溫環境中疲勞蠕變交互作用壽命預測[D].杭州：浙江工業大學，2006.

[5]孔祥軍，陶思達.加熱爐爐管的安全評定及剩余壽命預測[J].石油化工高等學校學報，2011，24（4）：88-90，94.

[6]王敏.影響一段轉化爐管使用壽命的原因分析及控制措施[J].化肥設計，2008，46（4）：48-49.

[7]HG/T 2601-94，高溫承壓用離心鑄造合金爐管[S].