制氢装置转化炉炉管开裂分析
2021-08-05赵保强苟瑞龙
赵保强 苟瑞龙
（1.嘉峪关市产品质量计量和特种设备检验检测中心；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）
近年来，随着炼油过程所需氢气越来越多，炼油厂加氢装置逐渐增多，制氢装置转化炉成为炼油生产的核心设备之一，它是一种外热式列管反应器，由于转化反应的强吸热、高温等特点，炉管极易发生材质劣化失效的情况。某制氢转化炉2012年3月开始使用，2020年9月在使用过程中发现E-121部位（由北向南第1排、第2排）发生开裂，笔者对该炉管开裂处取样，进行宏观检查、力学性能试验、化学成分分析、金相检验、扫描电镜观察及能谱分析等检验检测，分析炉管开裂的原因。
两处发生开裂的炉管，规格为DN80mm×8.0mm,材料为12Cr2MoG。炉管内侧介质为水蒸气，外侧介质为烟气；炉管内操作温度为400℃，炉管外操作温度为700℃；工作压力为3.8MPa。
1 检验检测
1.1 宏观检查
炉管内外壁形貌如图1所示，从1#、2#炉管样品可见管外壁存在大量氧化层，部分区域氧化层脱落，外壁表面严重过火；3#炉管样品弯头内部堵塞严重。
图1 炉管内外壁形貌
1.2 力学性能试验
对1#～3#炉管样品取样进行室温力学性能试验，试验结果见表1。由表1中所列数据可以看出，1#～3#炉管样品的断后伸长率、冲击功均符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》［1］对12Cr2MoG材料的要求，但3个炉管样品的屈服强度和2#、3#炉管样品的抗拉强度均低于标准要求。
表1 力学性能试验结果
采用金属维氏法测定炉管样品的硬度，每个样品共测4组硬度值（表2），3#炉管样品的维氏硬度值符合标准要求，但1#、2#炉管样品的维氏硬度值低于标准要求。
表2 维氏硬度测定结果
1.3 化学成分分析
对炉管样品进行化学成分分析，结果见表3，炉管管材的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr2MoG材料的要求。
表3 管材化学成分分析结果 wt%
1.4 壁厚测定
对2#炉管样品壁厚进行测定，测厚位置如图2所示，测厚结果见表4，弯头和开裂部位壁厚最小，最小为3.7mm。
图2 2#炉管样品的测厚位置
表4 2#炉管样品壁厚测定结果 mm
1.5 金相分析
如图3所示，分别从1#炉管样品和2#炉管样品的开裂部位各截取两个金相试样，命名为JX1、JX2和JX3、JX4，从3#炉管样品的弯头和直段部位截取两个金相试样，命名为JX5和JX6。
图3 金相试样的取样位置
JX1和JX2的金相组织如图4a、b所示，该组织为铁素体+珠光体，且发生珠光体球化，根据DL/T 787—2001《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》［2］对珠光体球化进行评级，球化程度为完全球化，级别为5级；根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》［3］对非金属夹杂物进行评级，JX1夹杂物 级 为A0、B0、C0、D1、DS0，JX2夹 杂 物 级 别 为A0、B0、C0、D0.5、DS0；根 据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》［4］对金属平均晶粒度进行测定，JX1的晶粒度为9.9，JX2的晶粒度为9.8。JX3和JX4的金相组织如图4c、d所示，该组织为铁素体+珠光体，且发生珠光体球化，根据DL/T 787—2001《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》对珠光体球化进行评级，球化程度为完全球化，级别为5级；根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对非金属夹杂物进行评级，JX3夹杂物级别为A0、B0、C0、D1.5、DS0，JX4夹杂物级别为A0、B0、C0、D1、DS0；根据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对金属平均晶粒度进行测定，JX3晶粒度为9.7，JX4晶粒度为9.0。JX5和JX6的金相组织如图4e、f所示，该组织为铁素体+珠光体，且发生珠光体球化，根据DL/T 787—2001《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》对珠光体球化进行评级，球化程度为轻度球化，级别为3级。
图4 炉管试样金相组织
1.6 扫描电镜及能谱分析
1#、2#炉管样品原始断口和人工打断处的形貌如图5～7所示，原始断口表面覆盖有大量的垢物；清洗后断口表面存在大量孔洞，晶粒不连续且有脱落趋势，整体呈脆性断裂；人工打断区域为解理断裂，断口表面有二次裂纹。
图5 1#炉管样品形貌
图6 2#炉管样品形貌
图7 2#炉管样品清洗后断口形貌
对1#和2#炉管样品内壁和外壁垢物进行化学成分组成分析，分析结果见表5。由表5可知，垢物以氧化物为主，并伴有大量具有腐蚀性的元素。
分析部位1#炉管内壁C O 2.64 1#炉管外壁 2.39 2#炉管内壁 1.41 2#炉管外壁 4.17 30.89 36.58 25.89 42.50 Na Al 6.67 -6.54 1.31 6.75 -4.29 4.07 Mg-1.17--Si P Cl K Ca 1.19 3.52 2.34 4.13 1.11 2.23 3.22 2.02 3.56 2.26 0.99 1.83 2.39 1.39 -4.37 1.21 1.42 1.46 2.14 Fe 46.65 30.11 57.83 19.77 Mn 0.86 0.94 1.52-
2 结果分析
转化炉炉管材料符合要求，炉管内附着大量垢物，在弯头处沉积，阻塞蒸汽的流通，造成管内压力过大。温度急剧升高，氧化加剧珠光体完全球化，材料组织发生变化，材料性能下降，强度不足，当壁厚减薄至一定厚度后，由于炉管内压力增大，材料产生的蠕变孔洞连接后形成裂纹，最终发生开裂［5～7］。
3 结束语
超高温引起炉管材料发生蠕变，组织发生完全球化，导致性能下降，工作压力较大，促使炉管爆管开裂。建议正常生产过程中应该控制工艺操作条件的平稳程度，避免压力温度过高的现象，尽量减少开、停车，尤其是紧急停车，降低操作温度波动的速度，减少引起材质劣化的操作，才能延长制氢装置转化炉的寿命。
