加氫精制裝置加熱爐爐管材質劣化檢測及分析

蔡剛毅，丁奪奎，唐夏燾，郭 穎，周翰卿

（1.浙江省特種設備科學研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310020；3.中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316015）

管式加熱爐是加氫裂化裝置中的重要組成部分。管式加熱爐工作環境惡劣，在整個加熱過程中爐管長期處于600～1 600℃的高溫，承受的熱負荷及溫差循環交替變化均較大，容易發生損傷，一旦發現異常需要及時分析原因并采取相應的處理措施［1-3］。

1 加氫精制裝置加熱爐及爐管宏觀檢查

1.1 三合一加熱爐構成

某石化企業加氫精制裝置三合一加熱爐構成及煙氣管道系統布置見圖1。該加熱爐為組合式加熱爐，其主要設備為3個不同功能的加熱爐，分別是反應進料加熱爐F2101、主汽提塔重沸爐F2102及分餾塔底重沸爐F2103，這3個加熱爐共用1套煙氣管道和1個對流室［4］。

圖1 加氫精制裝置三合一加熱爐構成及煙氣管系統道布置示圖

該三合一加熱爐自2008年投用后一直未進行過系統的檢驗和檢測，2018年停機檢修期間發現加熱爐F2101異常。

1.2 加熱爐爐管宏觀檢查

2018年停機檢修期間，發現加氫精制裝置三合一加熱爐中的反應進料加熱爐F2101輻射段爐管異常。

按照工藝流程，此加熱爐歸屬于餾分油加氫單元，爐型為立管立式加熱爐，爐管材質為TP321H，燃料種類為燃料氣，使用介質為改質原料油，進口溫度為298.5～325.4℃，出口溫度為 340～398℃，進口壓力為 10.2 MPa，出口壓力為9.4 MPa，設計熱負荷為15 MW。加熱爐F2101輻射段爐管分布及布置見圖2。

圖2 加熱爐F2101輻射段爐管分布及布置圖

加熱爐F2101爐管異常表現為，輻射段西22#爐管下半段位置較其他爐管顏色略暗，顏色異常部位錘擊發出悶聲，而其他部位為脆響。

2 加熱爐F2101爐管材料檢驗檢測

2.1 硬度分析

對東、西22#爐管和東、西23#爐管進行硬度檢測，檢測結果見表1，其中檢測位置表示為自下彎頭向上計量的爐管高度位置。

表1 部分爐管硬度檢測結果 HB

從表1可知，西22#爐管自下彎頭向上5.2 m區域管材硬度較其他部位的稍高，為136 HB，其他爐管硬度值較穩定，均保持在110 HB上下。西22#爐管異常情況構成加氫裝置安全運行隱患，有必要對加熱爐F2101西22#爐管下半段位置進行重點檢測。

2.2 金相組織

宏觀檢驗確定的西22#爐管下半段顏色異常管段在距下彎頭1.4 m區域。選取該區域東、西兩側爐管分別進行金相組織檢測，觀察到的金相組織形貌見圖3～圖4。

圖3 西22#爐管距下彎頭1.4 m西側金相組織形貌（500×）

圖4 西22#爐管距下彎頭1.4 m東側金相組織形貌（500×）

圖3顯示的西22#爐管西側的金相組織基體主要為奧氏體，伴隨著孿晶組織［7］，顯示晶界較粗，晶界上分布著大量黑色點狀碳化物分布較密集，使得孿晶線模糊不清，同時各晶粒之間界限較模糊，由于各晶粒的位向不同，各晶粒截面受蝕程度不同，表現出不同色澤，奧氏體晶粒內可見有滑移帶紋，表明試樣表面已有輕微的硬化現象。圖4所示的西22#爐管東側的金相組織顯示晶界相對淡而清晰，晶界上稀疏地分布著黑色點狀碳化物組織，相較圖3的黑色碳化物數量明顯減少，晶粒分布較為清晰，奧氏體晶粒內有輕微滑移帶紋。晶粒之間的色澤稍有不同，但是總體來說較為一致。

選取西23#爐管作為正常爐管代表，對其相應管段區域和相應方位爐管表面進行金相組織檢測，觀察到的金相組織形貌見圖 5～圖 6［5-6］。

圖5 西23#爐管距下彎頭1.4 m西側金相組織形貌（500×）

圖6 西23#爐管距下彎頭1.4 m東側金相組織形貌（500×）

圖5、圖6所示的2個部位的金相組織形貌基本一致，金相組織基體均為孿晶奧氏體，晶界上未發現黑色點狀物體，晶界淡而清晰，晶粒辨識度較高，各晶粒之間界限清晰［8-9］。抽取多根其他爐管進行檢測，發現其金相組織特征與西23#爐管的狀況類似。

2.3 光譜檢測

對西22#爐管距下彎頭1.4 m處東側金相檢測位置進行光譜檢測，同時對西23#爐管距下彎頭1.4 m處東側金相檢測位置進行光譜檢測對比，結果見表2。

表2 爐管主要元素分析結果（質量分數） %

表2顯示，相比西23#爐管，西22#爐管的Fe元素質量分數顯著升高，Cr元素、Ni元素質量分數均顯著降低。對其他爐管進行抽查對比，檢測結果均與西23#爐管一致。

2.4 鐵素體檢測

對西22#、西23#爐管進行鐵素體檢測，西22#爐管距下彎頭1.4 m處東側金相檢測位置鐵素體質量分數為4.6%，西23#爐管距下彎頭1.4 m處東側金相檢測位置鐵素體質量分數為5.5%。

3 加熱爐F2101爐管異常原因分析

對反應進料加熱爐F2101爐管材料的金相組織觀察圖像顯示，晶界邊緣形成了大量的黑色物質，分析認為該物質可能是析出的碳化物。根據ASTM A213/A213M—2018中的規定，TP321H材質中C元素的質量分數指標為0.04%～0.10%，室溫下C元素在奧氏體中的溶解度遠低于不銹鋼的實際含碳量，約為0.02%～0.03%，故過飽和的C元素被固溶在奧氏體中［10］。當溫度超過425℃并在425～815℃停留一段時間時，過飽和的C元素就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，與Cr元素或Ni元素化合并存在于晶粒之間。Cr在晶粒內擴散的速度比沿晶界擴散的速度小，內部的Cr來不及向晶界擴散，C在晶間化合所需的Cr主要來自晶界附近，使晶界附近的Cr含量大為減少［11］。

宏觀檢查中看到的爐管色澤暗淡以及錘擊聽到的悶響也是爐管材料晶界中Cr元素不足的表現。晶界中，當Cr的質量分數小于12%時就會形成貧Cr區，貧Cr區和晶粒的電化學性能差異在貧Cr區（陽極）與處于鈍化狀態下的基體（陰極）之間構成一個電位差很大的活化-鈍化電池，這個電池具有小陽極與大陰極特點，會使貧Cr區晶界首先遭受腐蝕而被破壞，引起晶粒間的結合力顯著減弱，力學性能惡化，機械強度極大降低，但材料的變形卻不明顯［11-12］。在這種情況下，300系列不銹鋼晶粒之間喪失結合力，局部遭受破壞，可以觀察到金屬表面光澤變得暗淡。

鐵素體檢測顯示的西22#爐管鐵素體含量較正常狀態的西23#爐管鐵素體含量低，光譜分析顯示Cr、Ni元素的質量分數減少較為明顯，這2種檢測結果與金相組織分析結果一致，是因為碳化物質量分數已經將部分Cr元素和Ni元素包含在內了。

在工藝方面，爐管的劣質化與爐管長期在高溫下異常服役有關［13］。F2101是典型的石化企業長周期運行加熱爐，輻射段爐管內介質為改制原料油，西22#爐管位于輻射段出口，正常工況下爐管內介質溫度在340～398℃。審查設備資料時發現，2017-04-17北面西側看火孔8個測溫點測量的西22#爐管自下彎頭向上約半段爐管溫度為395.4～501.9℃，北面東側看火孔8個測溫點測量的西22#爐管自下彎頭向上約半段爐管溫度為368.7～457.9℃，見圖7。類似運行溫度超過正常工況溫度100～150℃的情況持續約2 a，爐管長期服役在超過538℃的高溫環境下，會導致TP321H材質析出σ相（金屬間化合物）。δ鐵素體是奧氏體不銹鋼在一次結晶過程中生成并保留至常溫的鐵素體，δ鐵素體可以極大改進奧氏體不銹鋼的可焊接性，但是在超過538℃時，δ鐵素體會析出σ相，σ相為四方結晶構造［14］，且富含 Cr元素，造成結晶周圍的貧 Cr狀態，引起金屬的脆化以及不銹鋼在脆化狀態下對晶間腐蝕更加敏感［15］。

圖7 2個看火孔的輻射段西22#爐管溫度測試結果

此外，爐管在正常溫度下服役時，金相組織一般不會發生其他變化，超過538℃時，δ鐵素體的析出程度會隨著溫度的升高而加劇［14］。西22#爐管東、西兩側均分布著燃燒器，爐管西面1.2 m為防火墻壁面，東側燃燒器火焰垂直向上，西側燃燒器垂直向上的火焰有部分被防火墻反射后作用于爐管表面，西22#爐管底部西側的溫度高于東側的溫度，因此該爐管金相組織中西側碳化物析出程度比東側嚴重。正常服役的西23#爐管金相組織東、西兩側無明顯異常現象。

4 結語

針對某石化企業加氫裝置三合一加熱爐中反應進料加熱爐F2101輻射段西22#爐管宏觀檢查和錘擊檢測的異常情況，采用多種分析檢測方法對缺陷爐管進行材質分析，并結合裝置運行數據對缺陷產生的原因進行綜合探討，認為西22#爐管宏觀狀態變化和錘擊聲響異常的原因可能是長期服役在超溫狀態下所致。長期服役在超溫狀態下的爐管材質劣化是一種非常危險的損傷形態，建議企業更換含缺陷管段，新換管段應使用固溶化處理后的材質，同時建議實時監控爐管運行溫度變化，一旦發生超溫現象及時尋找原因并解決超溫使用情況。