乙烯裂解炉辐射段炉管鼓包开裂失效分析

2021-04-27刘海波徐烨璘姜浩晖

石油化工腐蚀与防护 2021年2期

刘海波，王君，沈源，徐烨璘，姜浩晖

(1.浙江国检检测技术股份有限公司，浙江嘉兴 314300；2.海盐县三地自来水有限公司，浙江嘉兴 314300)

乙烯裂解炉是乙烯装置的核心设备[1]，长期在高温环境下服役,易发生辐射段炉管的失效。离心铸造的乙烯裂解炉炉管，材质为ZGCr25Ni35Nb[2]，具有良好的抗高温蠕变、抗高温氧化和抗高温渗碳性能。送检失效炉管安装于乙烯裂解管辐射炉膛，炉膛操作温度为1 100 ℃，管内压力为0.07～0.13 MPa，在热辐射下运行，炉管处于自由悬垂状态，两端仅受弹簧支吊架拉撑，两端与连接部件组对焊。为确定炉管失效模式，避免类似问题再次发生，有必要对鼓包泄漏的炉管进行失效分析。

1 失效分析

1.1 宏观分析

送检炉管失效部位见图1。由图1可见,失效部位为炉管弯曲段管径由大变小的突变处，鼓包开裂部位附近存在一处焊缝。失效炉管截取段内表面宏观形貌见图2。将鼓包开裂处标记为A，远离鼓包处内表面标记为B，远离鼓包处焊缝标记为C，鼓包开裂附近焊缝标记为D。A区与B区表面低倍形貌见图3。由图3可以看出A区表面凹凸不平，存在明显的腐蚀痕迹，且该处壁厚较薄，B区表面完整致密，无明显腐蚀现象。C区与D区焊缝宏观形貌见图4。由图4可见C区焊缝余高约4 mm，管壁厚度约6 mm，D区焊缝余高不足2 mm，管壁厚度最小处约3.2 mm。C区焊缝表面光滑致密，无明显腐蚀痕迹，D区焊缝表面凹凸不平，存在明显的腐蚀沟槽。

(a)

(b)

图2 失效炉管截取段宏观形貌

图3 炉管内表面低倍形貌

图4 不同区域焊缝宏观形貌对比

1.2 断口形貌观察

采用扫描电子显微镜对A区内表面形貌进行观察，内表面微观形貌见图5。由图5可见，有明显的腐蚀孔洞及二次裂纹。断口微观形貌见图6。由图6可见，有明显的枝晶间疏松以及显微孔洞。

图5 A区内表面微观形貌

图6 断口微观形貌

1.3 化学成分分析

在失效部位A区与完好部位B区心部取样，采用碳硫分析仪及ICP电感耦合等离子发射光谱进行化学分析，结果见表1。由表1可知,材质成分符合验收标准中关于ZGCr25Ni35Nb材质的要求。

1.4 硬度检测

在炉管A区、B区内表面金相组织见图7，A区和B区中心部位金相组织见图8。

表1 失效炉管化学成分分析 w，%

图7 不同区域内表面金相组织

图8 不同区域心部金相组织

在炉管A区、B区内壁近表面以及中心部分别进行显微维氏硬度测试，结果见表2。由表2可见A区内壁近表面硬度明显高于B区与中心部，说明该区域表面存在渗碳现象。

表2 不同区域近表面硬度测试结果 HV

2 结果与讨论

送检炉管失效部位为炉管弯曲段，且为管径由大变小的突变处，从送检试样宏观形貌可见失效部位附近有腐蚀痕迹，局部可见明显的鼓包现象。测量后发现失效部位附近壁厚已明显减薄，剩余壁厚仅约2 mm，而完整管壁厚度约6 mm，壁厚损失约67%。电镜观察发现，失效部位断口可见明显的晶间疏松，此类缺陷割裂基体连续性，降低局部性能。金相分析与硬度检测显示，失效部位存在明显的渗碳与蠕变孔洞。渗碳会导致表面性能恶化和出现早期损伤[3]。另外，渗碳导致炉管内表面贫铬会降低其氧化物膜的形成能力，致使炉管抗腐蚀能力降低[4-6]。经检测，失效部位附近焊缝处存在约4 mm的焊接余高，且对焊的连接部件管径明显与失效件管径不同，导致管内介质在该部位流速发生改变，甚至形成涡流，导致该区域温度场发生改变，且内壁表面气流冲刷加剧。远离焊缝区域未发现明显的渗碳现象或蠕变孔洞。分析认为，管径突变以及焊缝余高过大是导致炉管内壁腐蚀减薄及蠕变开裂的主要原因。