乙烯裂解爐對流段爐管開裂原因分析

解英南，王晉，王欽明，遲國政

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003）

1 檢驗與分析

1.1 爐管宏觀、低倍分析

爐管水平安裝在爐內，迎向高溫煙氣側為向火面，其顏色為棕紅色，背向煙氣側為背火面，其顏色為深棕紅色。裂紋均在爐管的向火面，肉眼可見三條明顯的裂紋，依次標記為裂紋1、2、3，見圖1。

圖1 爐管開裂宏觀示意圖

將裂紋1、2、3 切割，得到爐管斷口1、2、3。爐管斷口處沒有明顯地塑性變形，裂紋起源于爐管內壁，沿管壁向外擴展。因高溫蒸汽的作用，斷口表面呈藍黑色，表明斷口發生了一定程度的高溫氧化。在爐管斷口上的裂紋擴展區，可見“海灘線”的痕跡，斷口具有疲勞斷裂的典型特征。

1.2 爐管材質分析

對爐管材質使用光譜儀進行分析，結果表明，爐管材質基本符合TP321H 不銹鋼的標準要求，僅Cr%含量稍低，見表1。

1.3 爐管金相分析

在爐管的裂紋2 處切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。在爐管的裂紋2 處，爐管內壁（向火面）發生了嚴重的晶間腐蝕，部分晶粒脫落產生了腐蝕坑，裂紋產生在這些地方，并由此向管壁內擴展；裂紋擴展起始階段以沿晶擴展為主，裂紋深入后，裂紋擴展方式為沿晶+穿晶，裂紋尖端較圓鈍，具有疲勞斷裂的特征；該部位爐管內壁晶間腐蝕程度為3 類（溝狀組織）；管壁金相組織為奧氏體。在爐管管壁中部（向火面），晶間腐蝕程度為2 類（混合組織）；管壁金相組織為奧氏體，見圖2。

圖2 爐管內壁金相圖（100μm）

對爐管金相分析，認為爐管的疲勞開裂，與爐管內壁（向火面）產生嚴重的晶間腐蝕有著一定的關系。爐管內壁（向火面）晶間腐蝕的發生，造成該部位強度降低和應力集中，促進了疲勞裂紋的萌生和擴展。

1.4 爐管斷口電鏡分析

使用掃描電鏡，對爐管斷口2 進行形貌觀察和元素成分能譜分析。在爐管斷口2 的裂紋源區，有多個裂紋源，彼此之間形成臺階；斷口表面被氧化腐蝕產物覆蓋，難以看到斷口的精細形貌；能譜分析表明，斷口2 表面主要元素是Fe 和O，還有少量的C、S、Ca、Cr、Ni 等，見圖3。

圖3 爐管斷口裂紋源區的SEM+EDS

在爐管斷口2 的裂紋擴展區，斷口表面同樣被氧化腐蝕產物覆蓋，難以看到斷口的精細形貌；能譜分析表明，斷口2 表面主要元素是Fe 和O，還有少量的C、Cr、Ni 等。斷口2 上的Fe、Cr、Ni 是爐管母材中的構成元素；而C、S、Ca、O 等應該是爐管內介質中的，其中O、S 會對爐管產生腐蝕作用。

表1 爐管材質化學成分（w/%）

1.5 分析與討論

綜上，爐管開裂失效是晶間應力腐蝕和腐蝕疲勞共同作用的結果。而晶間（應力）腐蝕和腐蝕疲勞的發生與爐管材質、服役環境、應力狀態等因素有著密切的關系。

TP321H 不銹鋼長期在高溫環境中使用，如果不銹鋼中C、Cr、Ni、Ti 的成分比例調整未達到最優化（即C ≤0.03%、Cr17.10 ～17.50），就會發生一定程度的敏化。對爐管材質的化學分析，確認爐管中C 含量為0.043%，Cr含量為16.90%，C 高就易于鉻碳化物的析出。爐管的金相檢驗確認，爐管組織發生了一定程度的晶間腐蝕，尤其在爐管內壁（向火面）已經達到3 類晶間腐蝕（溝狀組織）。晶間腐蝕的產生，既降低了爐管的耐蝕性，又造成了爐管局部的應力集中，為腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴展起到了一定的促進作用。

對流段爐管水平安裝在裂解爐內，爐管內介質為水蒸汽。正常情況下，干凈的水蒸汽對爐管腐蝕甚微。但如果因某種情況，有含有一定腐蝕性介質（O、S、Cl）的水存積在爐管內，就會對已經敏化的爐管產生晶間（應力）腐蝕。在爐管斷口2 裂紋源區檢測到的O、S 元素，說明這些腐蝕性元素存在于爐管內的水蒸汽中；含有O、S 元素的水，在一定條件下會對敏化的奧氏體不銹鋼產生晶間應力腐蝕。

由于裂解爐每運行一段時間，就需要工藝燒焦，頻繁的升降溫操作，以及因事故而造成的緊急停車，都會造成溫度的急劇變化，產生很大的交變熱應力。在爐管內壁（向火面）發生的晶間（應力）腐蝕，導致爐管內壁這些部位強度降低、應力集中，當有交變應力（熱應力）的作用時，疲勞裂紋就集中地萌生于此。疲勞裂紋一旦產生，就會不斷地擴展，直至造成爐管的開裂。因此，裂解爐對流段爐管開裂應該是晶間（應力）腐蝕和腐蝕（熱）疲勞共同作用的結果，其中，腐蝕（熱）疲勞起著主要作用。

2 結語

爐管材質成分基本符合TP321H 不銹鋼的標準要求，只是Cr 的含量稍低。

爐管金相組織為單一奧氏體，有一定程度的晶間腐蝕；在爐管（向火面）開裂部位的內壁尤為嚴重，達到3 類晶間腐蝕（溝狀組織）。

裂解爐對流段的爐管開裂是從爐管內壁（向火面）起始，屬于晶間（應力）腐蝕和腐蝕（熱）疲勞所引起；裂紋起始階段，晶間（應力）腐蝕占主導地位，其后，裂紋以腐蝕（熱）疲勞形式擴展，直至爐管開裂。

爐管材質為18-8 型奧氏體不銹鋼，在敏化溫度范圍內長期運行，發生了一定程度的晶間腐蝕；晶間腐蝕的發生既降低了爐管耐蝕性和強度，又造成了爐管發生晶間腐蝕部位的應力集中；同時，爐管在運行過程中，存在著爐管負荷、溫度波動等引發的交變應力，使得爐管具備產生晶間應力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的條件。