烴類轉(zhuǎn)化爐下尾管開裂原因分析

畢同峰

（大慶油田化工有限公司，黑龍江大慶 163411）

烴類轉(zhuǎn)化爐下尾管開裂原因分析

畢同峰

（大慶油田化工有限公司，黑龍江大慶 163411）

對烴類轉(zhuǎn)化爐下豬尾管的破裂原因進行了分析，分析指出：爐管的下尾管開裂原因為應力腐蝕導致的蠕變裂紋。由于缺陷的存在，大大降低了晶粒間的結(jié)合力，是爐管開裂，造成泄漏的主要原因。

頂燒式轉(zhuǎn)化爐；下尾管；晶間裂紋；應力腐蝕

頂燒式天然氣轉(zhuǎn)化爐是我合成氨裝置主要設(shè)備之一，該轉(zhuǎn)化爐由輻射段和對流段組成，工藝介質(zhì)為天然氣和水蒸氣的混合氣體，火嘴27個，爐管78根。爐管兩排分布，火嘴三排。入轉(zhuǎn)化爐天然氣量為8 878m3/h，燃燒燃料氣量為610 m3/h。管材為Incoloy800（ZG40Cr25Ni35）鐵鎳基合金，規(guī)格φ65 mm×3.5 mm。管內(nèi)介質(zhì)76%H2～20%CO2和以及7.65%的烴，管內(nèi)壓力為3.33MPa，操作溫度為小于780℃。

該烴類轉(zhuǎn)化爐爐管自2005年投入使用以來，至今已運行5萬多小時。裝置投產(chǎn)初期，有很多不穩(wěn)定因素，使得轉(zhuǎn)化爐爐管經(jīng)常處于原料氣中斷和開停車過程中，加之吊裝轉(zhuǎn)化爐爐管的平衡錘設(shè)計不合理，在爐管伸漲時不能起到拉伸作用，2009年對平衡錘進行了改造。2011年9月大修時發(fā)現(xiàn)，一根烴類轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)了裂紋，開裂的豬尾管位于中上段，而且管口存在蠕脹的痕跡。經(jīng)清理發(fā)現(xiàn)下尾管段外表面上有一豎向裂紋長約6cm，該裂紋已穿透管壁。爐管出現(xiàn)裂紋部位的工作溫度在780℃左右。為了裝置長周期安全平穩(wěn)生產(chǎn)，防止此類事故的再次發(fā)生，有必要對烴類轉(zhuǎn)化爐爐管做失效分析。

1 原因分析

下尾管的開裂部位在轉(zhuǎn)化管下部與下尾管連接附近部位。裂紋長約50mm，最寬處15mm，斷口面靠里側(cè)呈現(xiàn)鐵褐色，開裂面較粗糙沒有金屬光澤，無明顯的尾管壁減薄跡象，具有明顯的腐蝕特征。下尾管接管外觀呈現(xiàn)氧化色，管外壁表面存在眾多的豎向裂紋，呈環(huán)形分布，取試件解剖后發(fā)現(xiàn)尾管內(nèi)壁存在多條密集且平行的縱向裂紋，尾管接管管徑明顯蠕脹。

1.1 化學成分分析

在開裂的下尾管段上取樣進行化學成分分析，結(jié)果詳見表1。為了便于比較，同時也列出了Incoloy800的標準化學成分。

表1 下豬尾管材料的化學成分（w）%

分析結(jié)果表明下尾管材料中含C量較高。屬于高C型ZG40Cr25Ni35合金，而下尾管段S含量高于標準。表明該管段在長期運行中與含硫介質(zhì)接觸。

1.2 金相組織分析

在下尾管段遠離裂紋和裂尖附近分別取樣，進行磨制和機械拋光后，進行侵蝕顯示下尾管段材料的微觀組織。下尾管段壁厚中間部位的微觀組織如圖1所示。由金相檢查可見，下尾管和爐管焊接接頭處存在環(huán)向裂紋，焊縫根部起裂，沿熔合區(qū)沿晶格擴展。尾管內(nèi)表面縱向多條平行蠕變裂紋，外壁數(shù)條環(huán)向蠕變裂紋且平行，裂紋末端粗鈍，內(nèi)有腐蝕產(chǎn)物，沿晶縱深擴展，裂紋附近存在較多的蠕變和孔洞。由此可見，下尾管段在長期高溫運行后發(fā)生了較大的組織變化，致使該管段的材料性能劣化。

圖1 下尾管段管壁中間部位的微觀組織（×500）

1.3 斷口檢驗分析

把開裂的下尾管從裂紋處豎向打斷，斷口處伴有深色的腐蝕產(chǎn)物，打斷的斷裂面色澤光亮并為結(jié)晶狀。可初步推斷為脆性開裂。

斷口用SEM進行微觀分析，微觀斷口呈冰糖塊狀。冰糖塊的棱角變鈍且有蝕坑，說明受到腐蝕。尾管裂紋擴展區(qū)有氧化物和沿晶開裂的特點，裂紋尖端為沿晶加腐蝕產(chǎn)物加韌窩，低倍顯微鏡下呈現(xiàn)孔洞和二次裂紋（圖2），新鮮斷口為韌窩，由此可以判定斷裂為蠕變斷裂。

圖2 斷口晶狀二次裂紋（SEM）

2 結(jié)論

通過金相組織觀察和SEM分析，爐管下尾管開裂的主要原因是高溫蠕變和高溫氧化造成的，長時間過熱是導致其壽命大大縮短的直接原因，下尾管與爐管結(jié)構(gòu)處的局部應力過大是導致該部位焊接接頭高溫蠕變，裂紋快速擴展的重要原因。

C a u s e A n a l y s i s o f C r a c k i n g i n T a i l t u b e o f H y d r o c a r b o n R e f o r me r

Bi Tong-feng

Experiments and analyses on hydrocarbon conversion rupture furnace down tail tube analysis points out that the furnace tube tail pipe cracking is stress corrosion caused by creep crack.Because of the existence of defects，the bonding force between the grains is greatly reduced，which is the main cause of the cracks in the furnace tubes.

top burning reformer；lower tail tube；intergranular crack；stress corrosion

TQ440.5

A

1003-6490（2017）08-0002-01

2017-05-02

畢同峰（1981—），男，山東巨野人，工程師，主要研究方向為設(shè)備管理與維修。