乙烯裂解炉对流段炉管开裂原因分析

2020-06-28解英南王晋王钦明迟国政

中国设备工程 2020年7期

关键词：裂解炉炉管晶间腐蚀

解英南，王晋，王钦明，迟国政

（中国石油辽阳石化分公司，辽宁辽阳 111003）

1 检验与分析

1.1 炉管宏观、低倍分析

炉管水平安装在炉内，迎向高温烟气侧为向火面，其颜色为棕红色，背向烟气侧为背火面，其颜色为深棕红色。裂纹均在炉管的向火面，肉眼可见三条明显的裂纹，依次标记为裂纹1、2、3，见图1。

图1 炉管开裂宏观示意图

将裂纹1、2、3 切割，得到炉管断口1、2、3。炉管断口处没有明显地塑性变形，裂纹起源于炉管内壁，沿管壁向外扩展。因高温蒸汽的作用，断口表面呈蓝黑色，表明断口发生了一定程度的高温氧化。在炉管断口上的裂纹扩展区，可见“海滩线”的痕迹，断口具有疲劳断裂的典型特征。

1.2 炉管材质分析

对炉管材质使用光谱仪进行分析，结果表明，炉管材质基本符合TP321H 不锈钢的标准要求，仅Cr%含量稍低，见表1。

1.3 炉管金相分析

在炉管的裂纹2 处切取金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析。在炉管的裂纹2 处，炉管内壁（向火面）发生了严重的晶间腐蚀，部分晶粒脱落产生了腐蚀坑，裂纹产生在这些地方，并由此向管壁内扩展；裂纹扩展起始阶段以沿晶扩展为主，裂纹深入后，裂纹扩展方式为沿晶+穿晶，裂纹尖端较圆钝，具有疲劳断裂的特征；该部位炉管内壁晶间腐蚀程度为3 类（沟状组织）；管壁金相组织为奥氏体。在炉管管壁中部（向火面），晶间腐蚀程度为2 类（混合组织）；管壁金相组织为奥氏体，见图2。

图2 炉管内壁金相图（100μm）

对炉管金相分析，认为炉管的疲劳开裂，与炉管内壁（向火面）产生严重的晶间腐蚀有着一定的关系。炉管内壁（向火面）晶间腐蚀的发生，造成该部位强度降低和应力集中，促进了疲劳裂纹的萌生和扩展。

1.4 炉管断口电镜分析

使用扫描电镜，对炉管断口2 进行形貌观察和元素成分能谱分析。在炉管断口2 的裂纹源区，有多个裂纹源，彼此之间形成台阶；断口表面被氧化腐蚀产物覆盖，难以看到断口的精细形貌；能谱分析表明，断口2 表面主要元素是Fe 和O，还有少量的C、S、Ca、Cr、Ni 等，见图3。

图3 炉管断口裂纹源区的SEM+EDS

在炉管断口2 的裂纹扩展区，断口表面同样被氧化腐蚀产物覆盖，难以看到断口的精细形貌；能谱分析表明，断口2 表面主要元素是Fe 和O，还有少量的C、Cr、Ni 等。断口2 上的Fe、Cr、Ni 是炉管母材中的构成元素；而C、S、Ca、O 等应该是炉管内介质中的，其中O、S 会对炉管产生腐蚀作用。

表1 炉管材质化学成分（w/%）

1.5 分析与讨论

综上，炉管开裂失效是晶间应力腐蚀和腐蚀疲劳共同作用的结果。而晶间（应力）腐蚀和腐蚀疲劳的发生与炉管材质、服役环境、应力状态等因素有着密切的关系。

TP321H 不锈钢长期在高温环境中使用，如果不锈钢中C、Cr、Ni、Ti 的成分比例调整未达到最优化（即C ≤0.03%、Cr17.10 ～17.50），就会发生一定程度的敏化。对炉管材质的化学分析，确认炉管中C 含量为0.043%，Cr含量为16.90%，C 高就易于铬碳化物的析出。炉管的金相检验确认，炉管组织发生了一定程度的晶间腐蚀，尤其在炉管内壁（向火面）已经达到3 类晶间腐蚀（沟状组织）。晶间腐蚀的产生，既降低了炉管的耐蚀性，又造成了炉管局部的应力集中，为腐蚀疲劳裂纹的萌生和扩展起到了一定的促进作用。

对流段炉管水平安装在裂解炉内，炉管内介质为水蒸汽。正常情况下，干净的水蒸汽对炉管腐蚀甚微。但如果因某种情况，有含有一定腐蚀性介质（O、S、Cl）的水存积在炉管内，就会对已经敏化的炉管产生晶间（应力）腐蚀。在炉管断口2 裂纹源区检测到的O、S 元素，说明这些腐蚀性元素存在于炉管内的水蒸汽中；含有O、S 元素的水，在一定条件下会对敏化的奥氏体不锈钢产生晶间应力腐蚀。

由于裂解炉每运行一段时间，就需要工艺烧焦，频繁的升降温操作，以及因事故而造成的紧急停车，都会造成温度的急剧变化，产生很大的交变热应力。在炉管内壁（向火面）发生的晶间（应力）腐蚀，导致炉管内壁这些部位强度降低、应力集中，当有交变应力（热应力）的作用时，疲劳裂纹就集中地萌生于此。疲劳裂纹一旦产生，就会不断地扩展，直至造成炉管的开裂。因此，裂解炉对流段炉管开裂应该是晶间（应力）腐蚀和腐蚀（热）疲劳共同作用的结果，其中，腐蚀（热）疲劳起着主要作用。