浅析加热炉对流室炉管管壁缺陷分析及应对措施

杨晓聪

(中国石油长庆石化公司,陕西 咸阳 712000)

某石化公司2023年大检修期间对加热炉炉管进行检验时,在超声壁厚测定过程中发现柴油加氢装置反应进料加热炉F101对流室底部的个别炉管局部出现管壁减薄情况,测定壁厚为4 mm左右。

该加热炉对流室炉管的材质为TP347不锈钢,炉管的规格为Φ168.3 mm×11 mm。超声测厚局部减薄处剩余壁厚不满足加热炉继续使用要求,存在安全隐患,为保证加热炉安全运行,决定对局部减薄炉管进行割管处理,分析壁厚测定减薄的原因。

1 炉管检测分析

1.1 炉管的宏观、低倍检查

将F101对流室底部炉管壁厚测定减薄部位进行割管,经外观检查可见炉管内、外管壁表面未有明显的裂纹、蚀坑,且炉管壁厚宏观上也未见明显减薄。通过低倍镜观察在炉管管壁中存在着长度大约55 mm环向裂纹;裂纹距离炉管外壁表面大约4 mm左右,与炉管外壁壁厚测定结果一致。宏观检查结果见图1。

图1 送检炉管的宏观形貌

将炉管壁厚测定减薄处机械打开,得到炉管裂纹暴露面,通过低倍镜可以看到炉管断口呈黑红色,有金属氧化的特征,断口上还有一些陈旧性的二次裂纹,见图2～3。

图2 炉管管壁中分层(裂纹)的低倍形貌

图3 炉管管壁断口的低倍形貌

通过分析炉管宏观检查结果,发现炉管不存在冲刷、腐蚀引起的局部减薄,炉管裂纹与管壁平行,未见明显倾斜角度,存在于炉管距离外壁4 mm处,可以确定该裂纹不是由炉管内壁或外壁缺陷引起,在炉管中部应该是炉管冶炼或制造加工过程中产生的分层缺陷,在运行过程中逐渐扩展,发展为宏观裂纹。

1.2 炉管的材质分析

在炉管上取块状样品,通过便携式X射线荧光光谱分析,测定其化学成分,检测结果见表1。分析结果表明,炉管材质成分符合TP347不锈钢的标准要求。

表1 炉管材质的化学成分

1.3 炉管的金相检验分析

在炉管上切取金相样品,经预磨、抛光、腐刻后,在显微镜下观察分析,发现炉管分层(裂纹)的中间部位较宽、分叉较少;分层(裂纹)端部较细、分叉较多;分层(裂纹)内部有产物充塞;炉管分层(裂纹)处的金相组织与未分层处的金相组织相同,均为奥氏体组织,未见材质劣化。见图4～5。同时对炉管样品进行硬度检查,炉管的硬度为:HV1.0/15 s160.2(166.4,160.2,154.0),相当于HB152,未见明显异常。

图4 炉管管壁分层的金相组织

图5 炉管管壁的金相组织(未分层处)

1.4 炉管的电镜分析

使用扫描电镜,对炉管断口和裂纹进行形貌观察和元素成分能谱分析。

炉管(分层)断口上有大量的颗粒状产物附着;能谱分析表明,这些颗粒状产物主要由O、Si、Nb、Cr、Mn、Fe、Ni等元素构成,即这些颗粒物为金属的氧化物,见图6。

图6 炉管断口的OM+SEM+EDS

炉管(分层)裂纹较宽处为空洞,在裂纹较窄处(即裂纹尖端)有产物充塞;能谱分析表明,裂纹中的产物为金属的氧化物,见图7。

图7 炉管分层(裂纹)的SEM+EDS

炉管母材中的白色颗粒为富Nb处;炉管母材成分中主要元素构成符合TP347不锈钢的Cr18-Ni10-Nb-Fe(余)的成分比例,见图8。

图8 炉管母材的SEM+EDS

2 炉管运行环境分析

反应进料加热炉F-101加热介质为原料柴油、循环油、补充氢混合物,进炉温度250～280 ℃,出炉温度340～380 ℃,炉管介质压力10.0 MPa,对流室炉膛温度统计表见表2,分析统计结果,对流室炉管运行工况稳定,无超温运行情况。

表2 2022对流室温度统计表

3 炉管失效分析

通过对送检炉管宏观检查、材质分析、金相分析、电镜分析,发现炉管测定壁厚减薄处未见宏观意义上的壁厚减薄,而是存在与炉管表面平行,倾斜角度不大的55 mm长裂纹。对该裂纹处炉管进行材质分析、金相分析、硬度测定、扫描电镜分析,该炉管材质符合TP347,未见明显的材质劣化。查阅加热炉运行温度记录,发现该加热炉操作稳定,未出现超温运行情况,综合分析检验结果,认为该炉管的开裂(管壁分层)不是在加热炉运行期间产生的,而是炉管本身带有的原始冶炼、制造加工缺陷,形成的分层,在超声测厚检测时表现为壁厚减薄。

不锈钢管(板)壁的分层(裂纹)大都与其冶炼、加工(穿管、轧管)等制造过程有关,属于钢管(板)的原始缺陷[1-6]。

分层缺陷的危害主要有[7]:1)使分层处钢管承受载荷的有效厚度减薄,降低材料的塑性、韧性、疲劳性能和耐腐蚀性能;2)分层缺陷的边缘形状尖锐,会引起应力集中。其对应力作用非常敏感,特别是在交变载荷作用下,易产生应力疲劳裂纹;3)在含湿硫化氢的液化石油气、高温高压临氢介质等工况条件下,靠近内表面的分层缺陷会发展变化生成鼓包、裂纹等危险性缺陷;4)如果分层缺陷出现在钢管两头的坡口处,焊接工艺又没有进行坡口质量的控制,焊接接头的质量将受到严重影响。

因此,在运行过程中将管壁分层的炉管检测出来,并去除更换是非常及时和必要的,消除了装置的安全隐患。

4 结论及建议

4.1 结论

1)炉管的材质成分符合TP347不锈钢的标准要求。

2)炉管的金相组织为奥氏体。

3)炉管的硬度为HV160.21(相当于HB152)。

4)炉管的分层(裂纹)性质为原始冶金、加工缺陷,大量氧化物的存在导致了炉管的分层(裂纹)。

4.2 建议

1)加强对炉管的超声测厚检查,防止带有此类缺陷的炉管进入生产使用。

2)定期对加热炉烟气露点温度进行监测,合理控制物料进料温度,确保炉管管壁温度高于烟气露点温度,避免烟气露点腐蚀。控制燃料中的硫化物含量和固体颗粒含量,减少排放烟气中的SO2、SO3等硫化物含量和粉尘含量。

3)严格遵守操作规程及加热炉工艺指标,保证加热炉在设计允许的范围内运行,严禁超温、超压、超负荷运行,并尽量避免过低负荷运行(过低负荷一般指低于设计负荷的60%)。