乙烯急冷鍋爐下異徑管焊縫裂紋分析

摘 要：通過對某乙烯裝置裂解爐急冷廢鍋下異徑管裂紋進行了現場紅外熱成像檢測、工藝介質成份、材質驗證及組織晶相等技術分析，采用排除法排除了可能的幾種高溫失效模式。分析結果表明，下異徑管焊縫開裂是因為工人對保溫的要求不清楚，對帶內襯里的異徑管錯誤保溫，導致焊縫部位超出金屬高溫蠕變極限值，焊接熱影響區發生高溫蠕變和應力斷裂失效。

關鍵詞：乙烯急冷鍋爐；高溫蠕變斷裂和應力斷裂；內襯里保溫

從裂解爐出來的高溫裂解氣體，通過急冷換熱器迅速降低溫度而終止化學反應，并用來回收高溫熱量以發生高壓蒸汽。急冷換熱器運行的好壞，直接影響乙烯裝置的蒸汽平衡，另外，由于急冷鍋爐運行周期和裂解爐運行周期互相牽制，延長急冷換熱器運行周期，可以提高乙烯產量，減少升降溫過程，從而提高爐管壽命。某公司采用的是傳統廢熱鍋爐，基本構型是一種列管式換熱器，由殼體、換熱管、管板組成，管內走裂解氣，管外為高壓沸騰水。

該裂解爐2009年投用，運行63個月后，廢熱鍋爐下部裂解氣入口異徑管焊縫出現開裂，該焊縫為異種鋼焊接焊縫。下部異徑管材質為 G-X10NiCrNb3220，上部殼體才智為SA204 GR.A，焊材選用TIG 82。

該部位的設計條件為：設計溫度400℃，設計壓力0.45Mpa。內部帶襯里，結構形式如圖1：

幾種可能的高溫損傷的幾種機理。

（1）蠕變斷裂和應力斷裂，高溫下，晶屬部件在低于屈服應力的載荷下會緩慢并持續變形。受應力部件的這種取決于時間的變形被稱為蠕變。變形所致損傷最終會引發斷裂。

表2列出了極限溫度，高于極限溫度就擔心有蠕變損傷。如果晶屬溫度超過極限就會發生蠕變損傷和蠕變破裂。

（2）高溫氫侵蝕（HTHA）。在高溫下，氫分子分解成原子形式，它能夠容易地進入到鋼材中，并進行擴散。在這些條件下，氫在鋼中的擴散是很迅速的。高溫氫侵蝕的形式，氫可以與鋼中的碳發生反應，引起表面脫碳和內部脫碳以及微裂。這種氫的損傷形式稱為高溫氫侵蝕。

高溫氫對鋼的侵蝕有如下兩種形式： a.表面脫碳 b.內部脫碳和微裂紋

（3）石墨化。損傷的描述 1）石墨化是某些碳鋼和0.5Mo 鋼在800℉-1100℉（427℃-593℃）之間長時間工作后，其微觀結構發生的一種變化。這種變化可能造成強度、延性或蠕變抗力的損失。2）在高溫時，上述鋼的碳化物相不穩定并會分解為球墨。這種分解被稱為石墨化。

石墨化的范圍和程度通常以定性的方式描述（沒有、輕微、中等、嚴重）。盡管預測石墨化形成率很困難，嚴重的熱影響區石墨化會在工作溫度高于1000℉（538℃）時工作最少五年出現。極輕微石墨化可能在工作溫度為850℉（454℃）時工作30 到40 年出現。熱影響區石墨化的時間—溫度—改變曲線。

1 現場調查

（1）現場溫度測量，我們發現該部位6個下異徑管均超出設計溫度。如圖2。

（2）裂解氣主要組分分析。查詢lims系統：乙烯 38.14%（質量比），丙烯22.32%（質量比），氫氣11.97%（體積比）。

（3）現場組織和晶相分析見圖3、4。

2 原因分析

從SA204母材的晶相分析來看，其組織為鐵素體+珠光體。焊縫組織為柱狀晶粒+粒狀晶。焊縫熱影響區為馬氏體+鐵素體。組織屬于正常。

從裂解氣的組成來看，其氫氣含量在10%左右，操作溫度長期在400攝氏度附近，出現裂紋時，局部溫度到了430攝氏度以上，具備高溫氫侵蝕的可能，但在母材、焊縫及熱影響區未能發現表面內部脫碳和微裂，在其裂紋切面晶相上也沒有發現，基本可以排除是高溫氫侵蝕。典型的高溫氫侵蝕相如圖5：

晶相上也沒有發現鏈狀或球狀石墨，另外 0.5Mo 鋼在800℉-1100℉（427℃-593℃）之間長時間工作后才會出現石墨化，電力行業規定運行為15萬小時后要進行石墨化普查，之后每5年進行一次。

裂紋出現在靠SA204熱影響區上，為沿晶開裂，經過進一步的分析，我們在未開裂部位發現了蠕變損傷的最初階段只能用掃描電子顯微鏡金相學識別。蠕變空洞通常出現在晶界，在蠕變損傷的后期會形成裂隙然后形成裂紋。當溫度明顯高于閾值時，可以觀察到明顯的變形。比如，加熱器加熱管會發生長期蠕變損傷并且在破裂最終出現前出現明顯的折皺。變形的數量高度依賴于材料以及溫度和應力水平的組合。

經過現場調查發現，該部位內部帶有耐磨襯里，操作說明里面明確要求該部位不應進行外部保溫，該筒段的設計溫度為400攝氏度，應是居于防止高溫蠕變的考慮。但現場發現該部位下方被誤保溫，導致設備超溫。該部位的襯里托鉤（靠介質側）發生了較嚴重變形，驗證了超溫比較嚴重。

從表1可以查到，C-1/2Mo極限使用溫度為400攝氏度，蠕變變形率同材料、負荷和溫度關系密切。損傷率（應變率）對負荷和溫度都敏感。一般而言，溫度升高25℉（12℃）或者應力增加15%會視合金的不同減少金屬剩余壽命的一半或更多。實際運行溫度已經超過設計溫度30攝氏度，高溫蠕變發生的可能性很大。

3 結論

經過現場調查了解、故障部位溫度紅外測量、組織晶相分析及一系列排查，認定該乙烯急冷鍋爐下異徑管是因為保溫錯誤導致的焊縫組織高溫蠕變開裂。拆除了錯誤的外保溫后沒有再次出現同類故障。

參考文獻：

[1][2] APIRP 571C Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry

作者簡介：李志斌（1977-），男，福建武平縣人。2001年畢業于撫順石油學院化工機械與設備專業，獲學士學位，工程師，主要從事：設備管理工作。endprint