乙烯裂解爐輻射段爐管破裂原因探討

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司設(shè)備管理部，湖北 武漢 430082)

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乙烯裂解爐輻射段爐管破裂原因探討

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司設(shè)備管理部，湖北 武漢 430082)

乙烯裂解爐輻射段爐管(以下簡(jiǎn)稱裂解爐管)是制約乙烯裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要因素之一。某乙烯企業(yè)裂解爐運(yùn)行后燒焦過(guò)程中發(fā)生了爐管破裂故障。通過(guò)爐管常量元素檢驗(yàn)、痕量雜質(zhì)元素檢測(cè)、碳含量檢測(cè)、光學(xué)及電子金相組織觀察、掃描電鏡微區(qū)成分分析等綜合分析認(rèn)為：裂解爐管由于滲碳引起材質(zhì)變差，導(dǎo)致破裂失效。提出了裂解爐管滲碳失效的防護(hù)措施：合理布置燃燒器，確保熱量均勻分布；嚴(yán)格避免爐管升溫或降溫速度太快；保證裂解爐定期清焦質(zhì)量。

乙烯裂解爐 輻射段爐管破裂 原因與對(duì)策

1 概 況

乙烯裂解爐是乙烯裝置的主要設(shè)備，而裂解爐輻射段爐管(以下簡(jiǎn)稱裂解爐管)又是裂解爐的關(guān)鍵部件，裂解爐管是制約乙烯裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要因素。國(guó)內(nèi)某企業(yè)裂解爐的爐管材質(zhì)為35Cr-45Ni-Nb+MA，在運(yùn)行32個(gè)月后，即發(fā)生了破裂情況，導(dǎo)致局部爐管提前更換，這是一種非正常失效情況,給工廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了從技術(shù)上杜絕類似情況再次出現(xiàn)，開(kāi)展了以下失效分析工作，以期尋求相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。

2 檢測(cè)與分析

2.1 裂紋形貌觀察

對(duì)破裂的裂解爐管(見(jiàn)圖1)進(jìn)行射線檢測(cè)(RT)，底片顯示為線型裂紋。對(duì)破裂的裂解爐管縱向切割以進(jìn)一步觀察(見(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)爐管內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度約30 mm, 外表面裂紋長(zhǎng)度約20 mm。由此可判斷，裂紋為發(fā)源于內(nèi)表面,由內(nèi)向外擴(kuò)展而形成。

圖1 裂解爐管破裂處外部形貌

圖2 裂解爐管破裂處剖面形貌

2.2 裂解爐管常量元素分析

對(duì)爐管外壁取樣,進(jìn)行Cr,Ni,Nb,W,Si,C,Mn,S,P,Mo,Cu和Al等常量元素檢驗(yàn)。試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 14203—1993《鋼鐵及合金光電發(fā)射/光譜分析通則》和GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測(cè)定—火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出,爐管常量元素分析結(jié)果都在范圍之內(nèi)。

2.3 裂解爐管痕量雜質(zhì)元素分析

對(duì)爐管外壁取樣，分析As,Sn,Pb和Bi元素成分，檢驗(yàn)方法為GB/T 8647.7—2006《鎳化學(xué)分析方法—砷、銻、錫、鉛量的測(cè)定電熱原子吸收光譜法》。結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 裂解爐管常量元素分析結(jié)果 w,%

表2 裂解爐管痕量雜質(zhì)元素分析結(jié)果 mg/kg

由表2可以看出，痕量雜質(zhì)元素含量均符合技術(shù)要求。痕量雜質(zhì)元素也未對(duì)材料質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，爐管材質(zhì)符合技術(shù)要求。

2.4 碳含量檢測(cè)

對(duì)爐管取樣，分別檢測(cè)爐管內(nèi)壁和壁厚中間部位的碳含量，結(jié)果見(jiàn)表3。檢驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

表3 裂解爐管碳含量檢驗(yàn)結(jié)果 w,%

2.5 光學(xué)金相組織觀察

由于4片電阻應(yīng)變片在靜態(tài)平衡時(shí)，阻值完全相等， 所構(gòu)成的電橋處于平衡狀態(tài)，信號(hào)正負(fù)線間電位相等；當(dāng)圓筒受壓時(shí)，4個(gè)電阻應(yīng)變片兩兩變化相同，根據(jù)ΔR/R∝F，惠斯通電橋產(chǎn)生不平衡， 輸出1個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、數(shù)字化處理后，將稱重結(jié)果輸出到顯示面板，并以4～20 mA信號(hào)遠(yuǎn)傳[8] ，電阻應(yīng)變式稱重傳感器電路如圖2所示。

取爐管制作試樣，進(jìn)行光學(xué)金相觀察，檢測(cè)爐管服役后組織變化情況。檢驗(yàn)方法為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。發(fā)現(xiàn)：靠近外表面部位，奧氏體晶界碳化物呈離散塊狀分布(見(jiàn)圖3)；中間部位，晶界碳化物呈斷續(xù)鏈狀和粗大塊狀分布(見(jiàn)圖4)；靠近內(nèi)表面部位，晶界碳化物呈斷續(xù)鏈狀分布，M7C3狀態(tài)的碳化物大量析出，局部滲碳損傷嚴(yán)重(見(jiàn)圖5)。爐管截面由外表面至內(nèi)表面，滲碳損傷遵循由輕微到嚴(yán)重的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6)。

圖3 靠近外表面金相組織

圖4 中間部位金相組織

圖5 靠近內(nèi)表面金相組織

2.6 電子金相組織觀察

取爐管制作試樣，進(jìn)行電子金相觀察。發(fā)現(xiàn):該試樣內(nèi)外壁發(fā)生明顯氧化，且氧化不均勻；試樣發(fā)生明顯滲碳，滲碳層厚度約為2 mm，內(nèi)表面附近滲碳區(qū)組織中晶界碳化物以粗短鏈狀分布(見(jiàn)圖7)，晶界碳化物中心有白色顆粒狀析出物(見(jiàn)圖8)；中間部位組織和外壁附近組織形態(tài)相同，晶界碳化物以塊狀、短鏈狀分布(見(jiàn)圖9)，晶界碳化物上分布白色塊狀析出物(見(jiàn)圖10)。

圖6 爐管光學(xué)金相組織

圖7 內(nèi)表面附近滲碳組織

圖8 內(nèi)表面附近晶界析出物

2.7 微區(qū)能譜檢測(cè)(EDS)

取爐管制作試樣，對(duì)爐管組織中不同區(qū)域的析出物進(jìn)行能譜分析。檢驗(yàn)方法為GB/T 17359—2012《微束分析能譜法定量分析》。

圖9 外表面附近滲碳組織

圖10 外表面附近晶界析出物

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：試樣內(nèi)表面氧化物以氧化鉻和氧化硅為主，靠近基體氧化物以氧化硅為主；由于試樣發(fā)生滲碳，在內(nèi)表面氧化層中有大量的C元素(見(jiàn)圖11)。

試樣內(nèi)表面滲碳區(qū)組織中晶界碳化物主要為M7C3，晶界碳化物中心白色顆粒狀析出物為NbC，該組織類型為典型滲碳組織(見(jiàn)圖12)。

圖11 內(nèi)表面氧化層EDS結(jié)果

圖12 內(nèi)表面滲碳區(qū)EDS結(jié)果

隨著離內(nèi)表面距離增加，滲碳程度逐漸減輕，內(nèi)表面輕微滲碳區(qū)組織中晶界碳化物主要為M23C6，晶界碳化物上分布的白色塊狀析出物為G相(Ni16Nb6Si7)，白色顆粒狀析出物為NbC。在滲碳過(guò)程中，M23C6逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸7C3，G相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹bC(見(jiàn)圖13)。

圖13 內(nèi)表面輕微滲碳區(qū)EDS結(jié)果

圖14 外表面附近組織EDS結(jié)果

2.8 微區(qū)波譜(WDS)檢測(cè)

取爐管制作試樣，對(duì)爐管組織中不同區(qū)域進(jìn)行波譜分析。檢驗(yàn)方法為GB/T 28634—2012《微束分析 電子探針顯微分析 塊狀試樣波譜法定量點(diǎn)分析》。

通過(guò)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爐管厚度方向截面上的碳含量從內(nèi)表面至外表面呈由高到低的分布規(guī)律，爐管內(nèi)部部分區(qū)域滲透的碳含量接近4%(見(jiàn)圖15)。

圖15 爐管壁厚方向上碳含量的分布

3 失效原因及危害

由表3和圖15知，爐管內(nèi)表面的碳含量明顯高于中間層和外表面，壁厚方向上從內(nèi)表面至外表面碳含量呈從高到低的分布。由EDS檢測(cè)知，在內(nèi)表面氧化層中有大量的C元素；試樣內(nèi)表面滲碳區(qū)組織中晶界碳化物主要為M7C3，晶界碳化物中心白色顆粒狀析出物為NbC，為典型滲碳組織。在滲碳過(guò)程中，M23C6逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸7C3，G相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹bC。綜上所述，爐管材料運(yùn)行期間發(fā)生了滲碳。

爐管發(fā)生滲碳后，碳原子擴(kuò)散到基體金屬中，生成鉻的碳化物，碳化物在晶界長(zhǎng)大、增多，形成大量的塊狀碳化物[2]，晶界的連續(xù)性遭到了破壞，爐管高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和中低溫韌性均會(huì)降低，這是造成爐管破裂的主要原因之一[3]。同時(shí)，滲碳層體積膨脹，產(chǎn)生很強(qiáng)的附加應(yīng)力[4]。由于材料滲碳，滲碳層比相應(yīng)基體金屬密度小，體積發(fā)生膨脹，滲碳層處于受壓狀態(tài)，基體金屬處于拉伸狀態(tài)。在裝置清焦時(shí)，爐體溫度降到常溫，基體金屬處于張應(yīng)力狀態(tài)，這是導(dǎo)致?tīng)t管破裂的另一個(gè)因素。一般以為，內(nèi)表面出現(xiàn)沿晶裂紋，在內(nèi)表面張應(yīng)力作用下，顆粒狀碳化物之間形成裂紋源并逐步向外壁擴(kuò)展，最后穿透管壁而導(dǎo)致失效[5]。

需要指出的是，爐管滲碳導(dǎo)致?tīng)t管相關(guān)力學(xué)性能的降低，金屬組織中較高的碳含量固然是重要的影響因素，但影響更大的，是碳濃度梯度。在爐管厚度方向上，碳濃度梯度越大，滲碳對(duì)爐管金屬的損傷越大。如圖15所示的爐管壁厚方向上碳含量的分布，碳濃度梯度大，因而，爐管受損傷嚴(yán)重。

4 防護(hù)措施

滲碳會(huì)造成材料貧鉻及抗氧化性能降低[6]，裂解爐管的滲碳和壁溫是其失效的主要因素[7]。防止?fàn)t管發(fā)生滲碳，要確保爐管不要超溫，超溫對(duì)爐管的損傷是不可逆的，材料長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行一般會(huì)導(dǎo)致材料變脆。首先，要合理布置底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器，應(yīng)確保爐膛煙氣熱量均勻分布。這種均勻分布，是指盡量擬合物料進(jìn)行裂解反應(yīng)所需的熱量，而并非指溫度數(shù)值或熱通量數(shù)值的平均一致。在裂解爐生產(chǎn)操作中，隨著裂解反應(yīng)的進(jìn)程，爐管各部位的溫度和熱通量都是不一致的[8]；其次，要嚴(yán)格按規(guī)程進(jìn)行裂解爐的開(kāi)停車操作，應(yīng)嚴(yán)格避免升溫或降溫速度太快，應(yīng)特別注意的是，一定要控制好裂解爐出口溫度；第三，要保證裂解爐定期清焦質(zhì)量。去除爐管內(nèi)表面的焦炭層，防止?fàn)t管超溫及表面滲碳。因?yàn)椋谏a(chǎn)過(guò)程中，由于清焦不徹底，往往短時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成爐管局部過(guò)熱超溫。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)爐管成分檢測(cè)、金相組織觀察、掃描電鏡微區(qū)成分分析，認(rèn)為：裂解爐管的破裂失效原因是由于滲碳導(dǎo)致的材質(zhì)劣化。

(2)提出了裂解爐管滲碳失效的防護(hù)措施：①合理布置燃燒器，確保熱量均勻分布；②嚴(yán)格避免爐管升溫或降溫速度太快；③保證裂解爐定期清焦質(zhì)量。

[1] Nace TM 0498—2002.Standard test methods for measuring the carburization of alloys for ethylene cracking furnace tubes[S].

[2] 耿魯陽(yáng),鞏建鳴,姜勇.對(duì)多起乙烯裂解爐HP型爐管失效原因的分析總結(jié)[J].壓力容器，2011，28(12)：48-50.

[3] 董玉群.乙烯裂解爐輻射爐管破壞的原因及預(yù)防措施[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2008，29(6)：2-3.

[4] 王江源，張樹(shù)萍，王杜娟.裂解爐爐管開(kāi)裂失效分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2007.28(3)：57.

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[6] 王來(lái),于永泗,王富崗,等.HP乙烯裂解爐管彎頭破裂原因的分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，30(4)：443-447.

[7] 吳建平.乙烯裂解爐輻射段爐管失效原因分析及對(duì)策[J].石油和化工設(shè)備[J].2013，16(8)：30-33.

[8] 張照,賈志剛.爐管壁面熱通量對(duì)裂解反應(yīng)影響的數(shù)值模擬[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工)，2010.26(1)：69-70.

(編輯 王菁輝)

Discussion on Cracking of Radiation Tube in Ethylene Cracking Furnace

WuJianping

(SINOPEC-SK(WUHAN)PetrochemicalCompany.EquipmentManagementDepartment,Wuhan430082,China)

Radiation tube in ethylene cracking furnace (hereinafter referred to as cracking furnace tube) is one of the main factors that restrict the ethylene plant to work safely for a long time. Breakdown of cracking furnace tube occurred in the decoking process of ethylene cracking furnace in an ethylene enterprise. According to the comprehensive analysis of constant element test, trace impurities detection, carbon content detection, optical and electronic metallographic observation, SEM and EDS, the tube cracking was caused by material deterioration caused by carburizing of steel. Countermeasures for preventing the carburizing of steel were proposed, i.e., arranging the burner reasonably to ensure a uniform heat distribution, preventing strictly the furnace tube heating or cooling too fast and ensuring the quality of regular coke cleaning.

ethylene cracking furnace, cracking of radiation tube, causes and countermeasures

2017-01-17；修改稿收到日期：2017-03-02。

吳建平(1963-)，高級(jí)工程師,本科，長(zhǎng)期從事石油化工設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail：wujp@sswpc.com.cn