制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管焊縫開裂原因分析及預(yù)防措施

趙進(jìn)成，童元梁，楊旭東，黃超鵬

(1.中國石油玉門油田公司，甘肅 酒泉 735200；2.上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測有限公司，上海 200000)

某制氫裝置轉(zhuǎn)化爐于2014年10月投用，2019年5月檢查發(fā)現(xiàn)有1根延伸段爐管存在裂紋，其工作溫度為460 ℃，材質(zhì)為SA-312 TP304H，對其進(jìn)行打磨時發(fā)現(xiàn)該裂紋為穿透性裂紋，這將會造成爐管內(nèi)介質(zhì)泄漏，給制氫裝置的安全生產(chǎn)帶來隱患。另外，在裝置停工檢修時發(fā)現(xiàn)還有5根爐管焊縫也存在裂紋缺陷。為了防止裂紋缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大，保證設(shè)備的安全生產(chǎn),有必要對制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行失效分析，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐及爐管情況

1.1 轉(zhuǎn)化爐情況

轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的核心設(shè)備，爐管內(nèi)裝有催化劑，介質(zhì)通過爐管被加熱，同時又進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[1-2]。該裝置轉(zhuǎn)化爐采用頂燒單排管雙面輻射爐型，主要由輻射室、對流室和煙囪組成，共有爐管96根，分四排布置。轉(zhuǎn)化爐爐管采用頂部吊掛、下部支撐的結(jié)構(gòu)形式，其上部通過上豬尾管與進(jìn)口集合管相連，下部為內(nèi)襯管，與冷壁分集氣管相連；四根分集氣管在末端匯合進(jìn)入冷壁總集氣管與轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐相連；上豬尾管、上集合管、原料氣總管均采用恒力彈簧吊架支撐。

1.2 爐管情況

1.2.1 爐管主要參數(shù)

制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管有效長度為12 000 mm，其頂部采用內(nèi)插式保溫結(jié)構(gòu)，輻射段爐管規(guī)格為φ131 mm×14 mm，材質(zhì)為ZG45Ni35Cr25NbM；延伸段爐管規(guī)格為φ127 mm×12 mm，材質(zhì)為SA-312 TP304H。轉(zhuǎn)化爐爐管主要參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)化爐爐管主要參數(shù)

1.2.2 爐管裂紋缺陷部位

延伸段爐管存在裂紋缺陷，具體位置見圖1。

圖1 爐管裂紋缺陷部位

為進(jìn)一步確認(rèn)爐管焊縫泄漏原因、排查爐管各部位隱患情況，在2019年裝置停工大檢修期間，委托專業(yè)檢測單位對轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行檢驗檢測，全面排查爐管使用狀況，并評估其安全等級。

2 爐管與上豬尾管檢測情況

2019年8月8日至8月15日，委托專業(yè)檢測單位對制氫裝置轉(zhuǎn)化爐輻射段爐管、延伸段爐管、上豬尾管和下集合管進(jìn)行了全面檢測。

2.1 爐管檢測情況

2.1.1 宏觀檢查

對96根輻射段爐管進(jìn)行宏觀檢查，未見明顯腐蝕；爐管表面呈褐色，未見楊梅粒子脫落現(xiàn)象，部分爐管表面還附著白色涂料。

2.1.2 爐管蠕脹測定

根據(jù)輻射爐的爐型特點(diǎn)，以爐膛頂部為起點(diǎn)，每根爐管往下測5個截面，每個截面測3點(diǎn)，即每根爐管測15個數(shù)據(jù)。經(jīng)測定，輻射段爐管蠕脹測量值為130.6～132.6 mm，未見明顯異常。

2.1.3 金相檢測

選取輻射段爐管迎火面母材及焊縫作為檢測區(qū)域，檢測結(jié)果表明：在母材金相顯微組織中，一次共晶碳化物大部分沿晶界呈網(wǎng)狀分布，個別呈條狀或塊狀分布，有粗化趨勢；二次碳化物在晶內(nèi)呈彌散分布，有合并趨勢，并在晶界聚集。焊縫金相組織為共晶碳化物，沿晶界呈條狀和網(wǎng)狀分布，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，金相組織正常。

2.1.4 超聲波檢測

對延伸段96根爐管母材進(jìn)行手動超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)有6根爐管存在裂紋缺陷。

2.2 上豬尾管檢測情況

2.2.1 滲透檢測

分別對上豬尾管與爐管之間的加強(qiáng)接頭對接焊縫、上法蘭與爐管之間的對接焊縫進(jìn)行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，檢測合格。

2.2.2 超聲波測厚

對上豬尾管進(jìn)行超聲波測厚，測厚數(shù)據(jù)為 3.5～3.9 mm，屬正常范圍。

2.2.3 硬度測定

對大小頭母材、焊縫、熱影響區(qū)和豬尾管母材等部位進(jìn)行硬度測定，每個部位測3個數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，各部位硬度值正常，其中大小頭硬度值為160～180 HB；豬尾管硬度值為130～150 HB。

2.2.4 射線檢測

3 爐管失效情況分析

對存在裂紋缺陷的延伸段爐管樣品進(jìn)行失效分析。

3.1 滲透檢測

對樣品內(nèi)壁進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)其表面存在大量樹枝狀裂紋，其形貌見圖2。

圖2 樣品內(nèi)壁滲透檢測結(jié)果

3.2 化學(xué)成分分析

采用原子發(fā)射光譜法對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明，其材質(zhì)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 金相組織分析

以樣品的縱截面作為檢驗面進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果表明，母材金相組織為奧氏體，局部存在敏化現(xiàn)象;母材及焊縫處均存在穿晶裂紋，裂紋源自內(nèi)壁，呈樹枝狀，且裂紋部位存在形變馬氏體和孿晶組織，但未見明顯敏化現(xiàn)象[3]。

3.4 硬度測定

對樣品進(jìn)行硬度測定，結(jié)果表明，母材硬度與焊縫硬度接近。

3.5 斷口形貌分析

3.5.1 宏觀形貌分析

高潮就耐著性子，向馮可兒解釋。馮可兒一聽，也來了精神，說，我靠，“十大本土最具發(fā)展?jié)摿Ψ康禺a(chǎn)企業(yè)”的評選，現(xiàn)在已經(jīng)網(wǎng)羅到九家，就差他媽一家了，搞得老娘天天焦頭爛額的。你小子雪中送炭啊，事兒辦成了，老娘以身相許給你丫的。

斷口宏觀形貌見圖3。從圖3來看，斷裂面呈扇形，斷口表面平齊，為灰黑色，呈現(xiàn)“貝殼”狀紋理。

圖3 斷口宏觀形貌

3.5.2 微觀形貌分析

在裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及裂紋尖端均可見大量的貝紋線，如圖4至圖6所示。斷口表面可見河流狀花樣、解理面和解理臺階，呈疲勞斷口和解理斷口特征，且斷口表面存在大量顆粒狀高溫氧化物，其微觀形貌見圖7。

圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌(×4 550)

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌(×2 410)

圖6 裂紋尖端微觀形貌(×6 250)

圖7 斷口表面微觀形貌(×4 010)

爐管內(nèi)壁可見多條平直的微裂紋，均沿著爐管內(nèi)壁的加工紋理分布，同時爐管內(nèi)壁存在大量顆粒狀高溫氧化物，其微觀形貌見圖8。

圖8 爐管內(nèi)壁微觀形貌(×1 950)

3.6 裂紋內(nèi)部產(chǎn)物成分分析

采用掃描電子顯微鏡結(jié)合能譜儀對裂紋內(nèi)部產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明:裂紋內(nèi)部存在兩種物質(zhì)，其中一種物質(zhì)為致密的氧化物顆粒，主要由Fe，O，Cr，Ni，Mn和Si元素組成；另一種物質(zhì)位于裂紋中心部位， 主要含有Fe，O，Cr，Ni，Mn和Si元素，還含有少量的Na，Ca，Mg，S和Cl元素，這些元素來源于腐蝕性介質(zhì)[4]。

4 爐管失效原因分析

檢測結(jié)果表明：

(1)爐管材質(zhì)化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)爐管母材金相組織為奧氏體，局部存在晶界析出相，裂紋源區(qū)金相組織中存在形變馬氏體和孿晶組織，焊縫金相組織為奧氏體+鐵素體。

(3)裂紋起源于爐管內(nèi)壁，為穿晶擴(kuò)展裂紋，分布在母材和焊縫上。

(4)母材硬度與焊縫硬度接近。

(5)斷口處的宏觀和微觀形貌分析結(jié)果表明，斷口具有疲勞斷裂特征。

(6)裂紋內(nèi)部存在大量氧化物顆粒。

綜合各項檢測結(jié)果來看，爐管的失效機(jī)理為熱疲勞。熱疲勞主要是由溫度改變產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力所致，影響熱疲勞的關(guān)鍵因素是溫度波動的幅度和循環(huán)次數(shù)。爐管損傷常以裂紋的形式出現(xiàn)在焊縫和母材的局部區(qū)域，尤其是焊接接頭作為應(yīng)力集中區(qū)最易發(fā)生損傷[5]。檢測發(fā)現(xiàn)6根延伸段爐管均存在裂紋缺陷，該部位具有結(jié)構(gòu)不連續(xù)的特點(diǎn)，存在溫度分布不均勻的情況，由溫差產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力最終導(dǎo)致金屬疲勞開裂。

5 結(jié)束語

2019年大檢修期間,對存在裂紋缺陷的延伸段爐管進(jìn)行了更換，截至目前爐管運(yùn)行良好。結(jié)合爐管檢測及失效分析結(jié)果，為避免同類失效再次發(fā)生，確保裝置安全運(yùn)行，必須做好以下工作：

(1)認(rèn)真巡檢，調(diào)整火嘴，避免火嘴燒偏。

(2)在開停工過程中，嚴(yán)格按照升溫降溫曲線進(jìn)行操作，避免因升溫降溫過快而造成熱應(yīng)力過大使?fàn)t管損壞。

(3)優(yōu)化爐管操作，減少爐管在運(yùn)行過程中的溫度波動。

(4)嚴(yán)禁爐管超溫運(yùn)行，超溫會降低爐管的耐高溫性能，嚴(yán)重影響爐管的剩余壽命。

(5)加強(qiáng)延伸段爐管保溫，避免爐管在材料的敏化溫度區(qū)間運(yùn)行，并根據(jù)具體情況對爐管進(jìn)行材質(zhì)升級，采用熱穩(wěn)定性和耐高溫性能更好的材料。

(6)對爐管進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，及時監(jiān)控爐管的損傷程度。