制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂分析

趙保強(qiáng) 茍瑞龍

（1.嘉峪關(guān)市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

近年來，隨著煉油過程所需氫氣越來越多，煉油廠加氫裝置逐漸增多，制氫裝置轉(zhuǎn)化爐成為煉油生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，它是一種外熱式列管反應(yīng)器，由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的強(qiáng)吸熱、高溫等特點(diǎn)，爐管極易發(fā)生材質(zhì)劣化失效的情況。某制氫轉(zhuǎn)化爐2012年3月開始使用，2020年9月在使用過程中發(fā)現(xiàn)E-121部位（由北向南第1排、第2排）發(fā)生開裂，筆者對(duì)該爐管開裂處取樣，進(jìn)行宏觀檢查、力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察及能譜分析等檢驗(yàn)檢測(cè)，分析爐管開裂的原因。

兩處發(fā)生開裂的爐管，規(guī)格為DN80mm×8.0mm,材料為12Cr2MoG。爐管內(nèi)側(cè)介質(zhì)為水蒸氣，外側(cè)介質(zhì)為煙氣；爐管內(nèi)操作溫度為400℃，爐管外操作溫度為700℃；工作壓力為3.8MPa。

1 檢驗(yàn)檢測(cè)

1.1 宏觀檢查

爐管內(nèi)外壁形貌如圖1所示，從1#、2#爐管樣品可見管外壁存在大量氧化層，部分區(qū)域氧化層脫落，外壁表面嚴(yán)重過火；3#爐管樣品彎頭內(nèi)部堵塞嚴(yán)重。

圖1 爐管內(nèi)外壁形貌

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)1#～3#爐管樣品取樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1中所列數(shù)據(jù)可以看出，1#～3#爐管樣品的斷后伸長(zhǎng)率、沖擊功均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》［1］對(duì)12Cr2MoG材料的要求，但3個(gè)爐管樣品的屈服強(qiáng)度和2#、3#爐管樣品的抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

采用金屬維氏法測(cè)定爐管樣品的硬度，每個(gè)樣品共測(cè)4組硬度值（表2），3#爐管樣品的維氏硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但1#、2#爐管樣品的維氏硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 維氏硬度測(cè)定結(jié)果

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)爐管樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，爐管管材的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)12Cr2MoG材料的要求。

表3 管材化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

1.4 壁厚測(cè)定

對(duì)2#爐管樣品壁厚進(jìn)行測(cè)定，測(cè)厚位置如圖2所示，測(cè)厚結(jié)果見表4，彎頭和開裂部位壁厚最小，最小為3.7mm。

圖2 2#爐管樣品的測(cè)厚位置

表4 2#爐管樣品壁厚測(cè)定結(jié)果 mm

1.5 金相分析

如圖3所示，分別從1#爐管樣品和2#爐管樣品的開裂部位各截取兩個(gè)金相試樣，命名為JX1、JX2和JX3、JX4，從3#爐管樣品的彎頭和直段部位截取兩個(gè)金相試樣，命名為JX5和JX6。

圖3 金相試樣的取樣位置

JX1和JX2的金相組織如圖4a、b所示，該組織為鐵素體+珠光體，且發(fā)生珠光體球化，根據(jù)DL/T 787—2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［2］對(duì)珠光體球化進(jìn)行評(píng)級(jí)，球化程度為完全球化，級(jí)別為5級(jí)；根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》［3］對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，JX1夾雜物 級(jí) 為A0、B0、C0、D1、DS0，JX2夾 雜 物 級(jí) 別 為A0、B0、C0、D0.5、DS0；根 據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》［4］對(duì)金屬平均晶粒度進(jìn)行測(cè)定，JX1的晶粒度為9.9，JX2的晶粒度為9.8。JX3和JX4的金相組織如圖4c、d所示，該組織為鐵素體+珠光體，且發(fā)生珠光體球化，根據(jù)DL/T 787—2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)珠光體球化進(jìn)行評(píng)級(jí)，球化程度為完全球化，級(jí)別為5級(jí)；根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，JX3夾雜物級(jí)別為A0、B0、C0、D1.5、DS0，JX4夾雜物級(jí)別為A0、B0、C0、D1、DS0；根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)金屬平均晶粒度進(jìn)行測(cè)定，JX3晶粒度為9.7，JX4晶粒度為9.0。JX5和JX6的金相組織如圖4e、f所示，該組織為鐵素體+珠光體，且發(fā)生珠光體球化，根據(jù)DL/T 787—2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)珠光體球化進(jìn)行評(píng)級(jí)，球化程度為輕度球化，級(jí)別為3級(jí)。

圖4 爐管試樣金相組織

1.6 掃描電鏡及能譜分析

1#、2#爐管樣品原始斷口和人工打斷處的形貌如圖5～7所示，原始斷口表面覆蓋有大量的垢物；清洗后斷口表面存在大量孔洞，晶粒不連續(xù)且有脫落趨勢(shì)，整體呈脆性斷裂；人工打斷區(qū)域?yàn)榻饫頂嗔?，斷口表面有二次裂紋。

圖5 1#爐管樣品形貌

圖6 2#爐管樣品形貌

圖7 2#爐管樣品清洗后斷口形貌

對(duì)1#和2#爐管樣品內(nèi)壁和外壁垢物進(jìn)行化學(xué)成分組成分析，分析結(jié)果見表5。由表5可知，垢物以氧化物為主，并伴有大量具有腐蝕性的元素。

分析部位1#爐管內(nèi)壁C O 2.64 1#爐管外壁 2.39 2#爐管內(nèi)壁 1.41 2#爐管外壁 4.17 30.89 36.58 25.89 42.50 Na Al 6.67 -6.54 1.31 6.75 -4.29 4.07 Mg-1.17--Si P Cl K Ca 1.19 3.52 2.34 4.13 1.11 2.23 3.22 2.02 3.56 2.26 0.99 1.83 2.39 1.39 -4.37 1.21 1.42 1.46 2.14 Fe 46.65 30.11 57.83 19.77 Mn 0.86 0.94 1.52-

2 結(jié)果分析

轉(zhuǎn)化爐爐管材料符合要求，爐管內(nèi)附著大量垢物，在彎頭處沉積，阻塞蒸汽的流通，造成管內(nèi)壓力過大。溫度急劇升高，氧化加劇珠光體完全球化，材料組織發(fā)生變化，材料性能下降，強(qiáng)度不足，當(dāng)壁厚減薄至一定厚度后，由于爐管內(nèi)壓力增大，材料產(chǎn)生的蠕變孔洞連接后形成裂紋，最終發(fā)生開裂［5～7］。

3 結(jié)束語

超高溫引起爐管材料發(fā)生蠕變，組織發(fā)生完全球化，導(dǎo)致性能下降，工作壓力較大，促使?fàn)t管爆管開裂。建議正常生產(chǎn)過程中應(yīng)該控制工藝操作條件的平穩(wěn)程度，避免壓力溫度過高的現(xiàn)象，盡量減少開、停車，尤其是緊急停車，降低操作溫度波動(dòng)的速度，減少引起材質(zhì)劣化的操作，才能延長(zhǎng)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的壽命。