制氫裝置轉化爐出口熱壁管和催化劑管的失效分析

賴朝喜(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

某煉油廠8萬方制氫裝置采用TP公司的工藝包，轉化爐為頂燒式燃燒器，催化劑管為單排雙面輻射式，采用熱底式上下豬尾管連接。催化劑管和出口熱壁管設計壓力3.4MPa，設計溫度960℃，其中催化劑管共252根，材質25Cr35NiNb，內徑Φ110mm，壁管厚度14mm；出口熱壁管6根，材質20Cr33NiNb，內徑Φ160mm。

1 出口熱壁管焊縫裂紋失效分析

1.1 焊縫裂紋位置確定

某日，發現第4根出口熱壁管管箱有熱斑，停工后打開所有熱壁管管箱，發現第1和4根熱壁管各兩處焊縫有裂紋，第3根熱壁管一處焊縫有裂紋，6根熱電偶套管焊縫均有裂紋，具體位置和裂紋外觀如圖1所示。

圖1 開裂的熱壁管

圖2 熱電偶焊縫裂紋位置

1.2 失效原因分析

(1)宏觀檢查發現熱電偶套管有明顯的彎曲變形，說明熱壁管在高溫運行期間，延軸向發生熱膨脹，熱電偶套管隨熱壁管的熱膨脹移動，而熱電偶套管穿出爐體鋼結構，受到爐體的限位，熱電偶套管發生彎曲變形，熱電偶套管與熱壁管焊接的焊縫存在較大外應力，是熱電偶套管焊縫產生裂紋的主要原因，如圖2所示。

(2)如圖3所示，熱壁管的固定支撐有6個管箍，上下兩半抱卡形式。6個管箍均存在明顯受力變形嚴重的情況，說明熱壁管在高溫運行時，管箍限制了熱壁管的自由熱膨脹，導致熱壁管中部五通的焊縫處出現應力集中現象，是熱壁管五通焊縫出現裂紋的主要原因之一。

圖3 熱壁管三通焊縫裂紋位置及管卡固定位置

(3)熱壁管出現失效前，曾在40%的設計負荷運行，存在嚴重偏流，以及熱壁管箱體蓋板塌陷嚴重，起不到隔離輻射熱的作用，熱壁管在運行過程中暴露在熱輻射中，超溫運行，熱變形量超過設計預期，固定管箍限制熱變形量的自由膨脹，在第4根熱壁管上特別明顯。

1.3 整改措施

(1)每根熱壁管去掉四個管箍，保留兩個，降低管箍對熱壁管熱膨脹量的限制。

(2)熱壁箱體蓋板加50mm厚的陶纖氈隔離輻射熱，避免蓋板變形塌陷。

(3)將熱壁管中間與冷壁管連接的五通更換為七通，增加兩焊縫間的距離，使焊縫避開應力集中部位，增加七通的壁厚提高承受應力的強度。

2 催化劑管開裂失效分析

2.1 開裂失效的情況確定

熱壁管焊縫裂紋修復完畢運行半年后，因其它原因停工后重新開工，裝置進行氣密試壓階段，發現第1排催化劑管第12根爐頂往下3米處開裂，開裂長度1.83米。

2.2 開裂失效的原因分析

2.2.1 微觀分析

開裂部位沿徑向截面取樣，拋光、腐蝕后進行50倍顯微放大，可明顯看到3個不同組織，如圖4。分別對3個區域進一步放大進行微觀金相組織觀察，可以觀察到完全不同的組織。

圖4 50倍組織形貌

圖5 區域1微觀金相組織

區域1的微觀金相如圖5所示，該區域內的碳化物已經完全分解，在奧氏體晶界上存在大量的空洞，枝晶已經完全消失，可以判斷出現過局部高溫，此種現象可能是由于轉化催化劑中毒或催化劑積碳造成的。

區域2的微觀金相組織如圖6所示，其中a)靠近1區域，b)靠近3區域。靠近1區域的晶界碳化物已為網狀或鏈狀，但也存在大量碳化物，部分已變成塊狀。在靠近3區域內的碳化物中存在大量粗大的二次碳化物。

圖6 區域2微觀金相組織

區域3的微觀金相如圖7所示，該區域內的晶界碳化物雖然呈枝晶狀，但也已開始破斷網狀化，開始變粗大，晶內碳化物彌散分布在奧氏體基體中。

圖7 區域3微觀金相組織

為了準確判斷催化劑管開裂原因，又分別對催化劑管開裂部位上方、背側及爐膛外管進行了微觀取樣分析。圖8為開裂部位上方的微觀晶相組織，發現該部位金相組織存在三個區域，沿徑向方向由內向外分成滲碳層、等軸晶區、枝晶區(外側沿徑向生長)，其中等軸晶區和枝晶區為催化劑管制造過程中產生的晶相組織，枝晶區的奧氏體共晶碳化物呈骨骼狀分布，等軸晶區共晶碳化物呈鏈狀分布，且碳化物已明顯的分解情況，分布于奧氏體晶粒內。開裂部位背側的微觀金相組織與圖12類同，無區別。

圖8 開裂部位上方的微觀組織

圖9為開裂催化劑管在爐膛外部分的枝晶區、等軸晶區，發現該部位金相組織沿徑向由里向外同樣存在三個金相區域，滲碳層、等軸晶區、枝晶區，但晶區間的共晶碳化物無分解情況，與爐膛內催化劑管的枝晶區、等軸晶區的微觀組織存在明顯的區別。

通過以上金相微觀分析，開裂部位周圍的共晶碳化物已完全呈島狀和鏈狀分布，但開裂部位的共晶碳化物已完全分解，在原奧氏體晶界間存在大量空洞，枝晶已消失。另外依據API571,FeNi基合金在高碳活性環境中可分解成石墨和鐵的顆粒，所以可以判斷該部位碳化嚴重，且滲碳區沿徑向由里向外移動，而導致催化劑管壁厚減薄，管材塑性降低，不能承受催化劑管溫度的快速變化，最終導致催化劑管開裂。

圖9 開裂催化劑管在爐膛外部分的微觀組織

2.2.2 硬度檢驗分析

對開裂催化劑管的不同部位進行維氏硬度測試，具體測試部位和結果，如圖10所示。爐膛外部催化劑管的硬度值無明顯變化，為200～230HV10，開裂部位附近的硬度值明顯高于其它部位，尤其是距內壁1mm處的硬度高達435HV10，顯著高于運行過程中碳化物轉變引起的硬度升高，另外根據輻射管的工作原理，外壁溫度高于內壁溫度，碳化物的轉變應該更劇烈，但實際結果相反，據此可以判斷該部分發生了局部滲碳，導致硬度發生顯著提高。

圖10 開裂催化劑管不同部位管壁截面的硬度分布

3 結論

(1)熱壁管焊縫開裂主要與管壁溫度過高和應力集中有關。

(2)催化劑管開裂主要與管道局部滲碳有關，造成材料的塑性降低。

4 結語

(1)優化工藝調節，減少裝置的開停工次數，防止轉化爐操作溫度大幅波動，造成局部過熱。

(2)定期使用紅外線測溫儀檢測爐管表面溫度，檢查爐管有無過熱點、過熱區。

(3)在轉化爐熱負荷發生急劇變化時，重點檢測冷壁管、熱壁管、進出口集合管及豬尾管支吊架的運行情況，確認各部位的膨脹、收縮是否正常。