制氫轉(zhuǎn)化爐下豬尾管失效分析

(中國石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依 834000)

制氫裝置為煉油廠二次加工裝置提供穩(wěn)定的高純度氫源。烷烴類和水蒸氣通過爐管內(nèi)的催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)制造氫氣，轉(zhuǎn)化爐則是制氫裝置的核心。下豬尾管的作用主要是消除由于轉(zhuǎn)化管和下集氣管熱膨脹變形產(chǎn)生的附加載荷,其破裂直接影響裝置的正常運(yùn)行，也存在安全隱患。

1 下豬尾管操作條件及破裂情況

制氫裝置2012年正式改造投產(chǎn), 生產(chǎn)體積分?jǐn)?shù)為99.9%工業(yè)氫氣,產(chǎn)能為50 000 m3/h。該裝置以天然氣為主要原料，采用烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法造氣，變壓吸附(PSA)法凈化提純的工藝路線制取氫氣，年開工8 000 h，所產(chǎn)的氫氣送入氫氣管網(wǎng)中，供給加氫裝置使用。制氫裝置轉(zhuǎn)化爐為頂燒式轉(zhuǎn)化爐，轉(zhuǎn)化管受熱形式為單排管受雙面輻射，火焰與爐管平行，垂直向下燃燒。下豬尾管采用Incoloy800HT,尺寸為φ34 mm×5 mm。下豬尾管內(nèi)的介質(zhì)溫度為785～795 ℃,操作壓力2.1～2.2 MPa。

2015年以來，制氫裝置出現(xiàn)過4次豬尾管泄漏，從現(xiàn)場泄漏情況來看，有3次泄漏點出現(xiàn)在豬尾管上部直管段，呈軸向裂紋，1次泄漏點出現(xiàn)在豬尾管與爐管的焊接處。

2 失效分析

2.1 宏觀分析

下豬尾管裂縫長約47 mm，寬約2.0 mm，開裂處略有膨脹，直徑36.0 mm，見圖1。下豬尾管內(nèi)表面存在多條沿軸線的平行裂紋，壁厚減薄，材料分層嚴(yán)重，管道內(nèi)壁分層脫落,見圖2。裂紋深淺不一，由內(nèi)向外,深約2.0 mm。裂紋處爐管橫截面形貌見圖3。豬尾管的管徑有明顯的變化，其壁厚明顯減薄。

圖1 豬尾管外表面裂開處

圖2 豬尾管內(nèi)表面裂開處

圖3 裂紋處管橫截面形貌

2.2 化學(xué)成分分析

下豬尾管的產(chǎn)品質(zhì)量證明書中顯示材質(zhì)為Incoloy800HT，根據(jù)規(guī)范《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》化學(xué)成分進(jìn)行對比，材料與設(shè)計規(guī)范不相符，詳見表1。

表1 Incoloy800HT不銹鋼化學(xué)成分對比 w,%

采用Incoloy800HT材料與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有以下幾項不相符：(1)材料中Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.59%，大于標(biāo)準(zhǔn)中的要求值；(2)材料中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.9%，小于標(biāo)準(zhǔn)中的要求值；(3)材料中鋁+鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，小于標(biāo)準(zhǔn)中的要求值;(4)碳含量處于標(biāo)準(zhǔn)中的上限，且分布不均勻。

Incoloy800HT合金中作為穩(wěn)定化元素增加了Ti，主要為了防止合金中形成鉻碳化物，導(dǎo)致晶間腐蝕，同時Ti還可以提高不銹鋼在室溫和高溫下的強(qiáng)度[1]。

2.3 金相組織分析

利用金相顯微鏡進(jìn)行組織檢查，在拋光狀態(tài)下，觀察試樣析出相。豬尾管裂紋形貌見圖4和圖5。裂紋沿晶擴(kuò)展，存在蠕變孔洞，有灰色產(chǎn)物，裂紋周邊析出相較多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15.08%，顆粒直徑約6.94 μm。

圖4 開裂豬尾管的金相組織

圖5 開裂豬尾管的裂紋

2.4 EDS分析

下豬尾管內(nèi)壁的宏觀形貌(見圖2)可以看見有穿透性失效裂口。金相分析表明：裂紋由晶界處擴(kuò)展延伸至內(nèi)表面，裂紋末端出現(xiàn)很多圓頓狀孔洞，裂紋縱橫交錯。

對析出相進(jìn)行EDS分析見圖6。由圖6可以看出：Cr,O和Fe元素含量很高,說明析出相為Cr和Fe的氧化物。裂紋邊緣的深灰色區(qū)域，富集大量的Cr氧化物，裂紋處出現(xiàn)嚴(yán)重的晶間氧化腐蝕。高溫環(huán)境下，晶界首先被氧化，氧化物在晶界處積累，一旦晶界出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，裂紋在晶界處的擴(kuò)展迅速加快。

圖6 析出相EDS分析

3 豬尾管破裂原因

3.1 晶間腐蝕

導(dǎo)致材質(zhì)為Incoloy800HT合金的下豬尾管破裂的原因之一為晶間腐蝕。晶界上M23C6析出帶走大量晶體中的鉻，由于鉻在晶體中的擴(kuò)散速度比(碳的擴(kuò)散速度)在晶界上小，內(nèi)部的鉻不能及時補(bǔ)充晶界處缺失的鉻，晶界附近處出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，即使在含0.03%的超低碳不銹鋼，若在敏化溫度長期停留也會引起貧鉻現(xiàn)象[2]。

3.2 σ相和η相的析出

對失效的下豬尾管析出相進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。由表2可知，化學(xué)成分中的Fe和Cr含量很高，判斷析出相為σ相和η相。σ相主要成分為(FeNi)x(CrMo)y，η相化學(xué)成分為Fe36Cr12Mo10。σ相硬而脆，因而它的出現(xiàn)導(dǎo)致鋼的脆化，僅3%的σ相便可引起鋼韌性急劇下降。σ相和η相均會引起奧氏體合金的塑性、韌性和耐腐蝕性的降低。

表2 Cr20Ni32Fe合金中的析出相元素組成 w,%

對失效的下豬尾管進(jìn)行沖擊韌性試驗，其夏比V形缺口的沖擊功為37 J,30 J 和22 J。與Cr20Ni32Fe合金760 ℃時效后的室溫的沖擊韌性(見表3)比較可知,失效的下豬尾管沖擊功明顯降低。沖擊功越小，材料的脆性越高。

表3 Cr20Ni32Fe合金的沖擊韌性

3.3 應(yīng)力腐蝕

下豬尾管出現(xiàn)了沿晶型和穿晶+晶間混合型應(yīng)力腐蝕(見圖5)。該應(yīng)力腐蝕是由于殘余應(yīng)力和介質(zhì)共同作用下引起的局部斷裂。

3.4 熱處理

焊接后熱處理可以有效減緩高溫工況下或焊接過程中構(gòu)件的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，提高焊縫處和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性能。Incoloy800HT材料焊后的熱處理溫度應(yīng)該為(910±10) ℃，保留時間不少于2 h。嚴(yán)格按熱處理曲線升溫。

查熱處理相關(guān)記錄，熱處理未按焊口熱處理工藝參數(shù)要求的嚴(yán)格執(zhí)行。

4 結(jié)論及建議

下豬尾管壁厚減薄，內(nèi)壁分層脫落，出現(xiàn)裂紋并沿晶界處呈樹形擴(kuò)展，裂紋末端存在蠕變孔洞，晶界處有15.08%的析出相，析出相使Incoloy800HT材料脆化。在長期高溫工況下，發(fā)生了晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕，最終導(dǎo)致下豬尾管開裂失效。

鑒于下豬尾管的頻繁開裂，建議采用以下措施：

(1)平穩(wěn)操作，嚴(yán)禁超溫，切忌頻繁開停工。

(2)建議更換合格Incoloy800HT材料合金成分與ASEM B407設(shè)計要求相符。

(3)按熱處理工藝參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行穩(wěn)定性熱處理。