乙烯急冷锅炉下异径管焊缝裂纹分析

摘 要：通过对某乙烯装置裂解炉急冷废锅下异径管裂纹进行了现场红外热成像检测、工艺介质成份、材质验证及组织晶相等技术分析，采用排除法排除了可能的几种高温失效模式。分析结果表明，下异径管焊缝开裂是因为工人对保温的要求不清楚，对带内衬里的异径管错误保温，导致焊缝部位超出金属高温蠕变极限值，焊接热影响区发生高温蠕变和应力断裂失效。

关键词：乙烯急冷锅炉；高温蠕变断裂和应力断裂；内衬里保温

从裂解炉出来的高温裂解气体，通过急冷换热器迅速降低温度而终止化学反应，并用来回收高温热量以发生高压蒸汽。急冷换热器运行的好坏，直接影响乙烯装置的蒸汽平衡，另外，由于急冷锅炉运行周期和裂解炉运行周期互相牵制，延长急冷换热器运行周期，可以提高乙烯产量，减少升降温过程，从而提高炉管寿命。某公司采用的是传统废热锅炉，基本构型是一种列管式换热器，由壳体、换热管、管板组成，管内走裂解气，管外为高压沸腾水。

该裂解炉2009年投用，运行63个月后，废热锅炉下部裂解气入口异径管焊缝出现开裂，该焊缝为异种钢焊接焊缝。下部异径管材质为 G-X10NiCrNb3220，上部壳体才智为SA204 GR.A，焊材选用TIG 82。

该部位的设计条件为：设计温度400℃，设计压力0.45Mpa。内部带衬里，结构形式如图1：

几种可能的高温损伤的几种机理。

（1）蠕变断裂和应力断裂，高温下，晶属部件在低于屈服应力的载荷下会缓慢并持续变形。受应力部件的这种取决于时间的变形被称为蠕变。变形所致损伤最终会引发断裂。

表2列出了极限温度，高于极限温度就担心有蠕变损伤。如果晶属温度超过极限就会发生蠕变损伤和蠕变破裂。

（2）高温氢侵蚀（HTHA）。在高温下，氢分子分解成原子形式，它能够容易地进入到钢材中，并进行扩散。在这些条件下，氢在钢中的扩散是很迅速的。高温氢侵蚀的形式，氢可以与钢中的碳发生反应，引起表面脱碳和内部脱碳以及微裂。这种氢的损伤形式称为高温氢侵蚀。

高温氢对钢的侵蚀有如下两种形式： a.表面脱碳 b.内部脱碳和微裂纹

（3）石墨化。损伤的描述 1）石墨化是某些碳钢和0.5Mo 钢在800℉-1100℉（427℃-593℃）之间长时间工作后，其微观结构发生的一种变化。这种变化可能造成强度、延性或蠕变抗力的损失。2）在高温时，上述钢的碳化物相不稳定并会分解为球墨。这种分解被称为石墨化。

石墨化的范围和程度通常以定性的方式描述（没有、轻微、中等、严重）。尽管预测石墨化形成率很困难，严重的热影响区石墨化会在工作温度高于1000℉（538℃）时工作最少五年出现。极轻微石墨化可能在工作温度为850℉（454℃）时工作30 到40 年出现。热影响区石墨化的时间—温度—改变曲线。

1 现场调查

（1）现场温度测量，我们发现该部位6个下异径管均超出设计温度。如图2。

（2）裂解气主要组分分析。查询lims系统：乙烯 38.14%（质量比），丙烯22.32%（质量比），氢气11.97%（体积比）。

（3）现场组织和晶相分析见图3、4。

2 原因分析

从SA204母材的晶相分析来看，其组织为铁素体+珠光体。焊缝组织为柱状晶粒+粒状晶。焊缝热影响区为马氏体+铁素体。组织属于正常。

从裂解气的组成来看，其氢气含量在10%左右，操作温度长期在400摄氏度附近，出现裂纹时，局部温度到了430摄氏度以上，具备高温氢侵蚀的可能，但在母材、焊缝及热影响区未能发现表面内部脱碳和微裂，在其裂纹切面晶相上也没有发现，基本可以排除是高温氢侵蚀。典型的高温氢侵蚀相如图5：

晶相上也没有发现链状或球状石墨，另外 0.5Mo 钢在800℉-1100℉（427℃-593℃）之间长时间工作后才会出现石墨化，电力行业规定运行为15万小时后要进行石墨化普查，之后每5年进行一次。

裂纹出现在靠SA204热影响区上，为沿晶开裂，经过进一步的分析，我们在未开裂部位发现了蠕变损伤的最初阶段只能用扫描电子显微镜金相学识别。蠕变空洞通常出现在晶界，在蠕变损伤的后期会形成裂隙然后形成裂纹。当温度明显高于阈值时，可以观察到明显的变形。比如，加热器加热管会发生长期蠕变损伤并且在破裂最终出现前出现明显的折皱。变形的数量高度依赖于材料以及温度和应力水平的组合。

经过现场调查发现，该部位内部带有耐磨衬里，操作说明里面明确要求该部位不应进行外部保温，该筒段的设计温度为400摄氏度，应是居于防止高温蠕变的考虑。但现场发现该部位下方被误保温，导致设备超温。该部位的衬里托钩（靠介质侧）发生了较严重变形，验证了超温比较严重。

从表1可以查到，C-1/2Mo极限使用温度为400摄氏度，蠕变变形率同材料、负荷和温度关系密切。损伤率（应变率）对负荷和温度都敏感。一般而言，温度升高25℉（12℃）或者应力增加15%会视合金的不同减少金属剩余寿命的一半或更多。实际运行温度已经超过设计温度30摄氏度，高温蠕变发生的可能性很大。

3 结论

经过现场调查了解、故障部位温度红外测量、组织晶相分析及一系列排查，认定该乙烯急冷锅炉下异径管是因为保温错误导致的焊缝组织高温蠕变开裂。拆除了错误的外保温后没有再次出现同类故障。

参考文献：

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

作者简介：李志斌（1977-），男，福建武平县人。2001年毕业于抚顺石油学院化工机械与设备专业，获学士学位，工程师，主要从事：设备管理工作。endprint