淺析加熱爐對流室爐管管壁缺陷分析及應對措施

楊曉聰

(中國石油長慶石化公司,陜西 咸陽 712000)

某石化公司2023年大檢修期間對加熱爐爐管進行檢驗時,在超聲壁厚測定過程中發現柴油加氫裝置反應進料加熱爐F101對流室底部的個別爐管局部出現管壁減薄情況,測定壁厚為4 mm左右。

該加熱爐對流室爐管的材質為TP347不銹鋼,爐管的規格為Φ168.3 mm×11 mm。超聲測厚局部減薄處剩余壁厚不滿足加熱爐繼續使用要求,存在安全隱患,為保證加熱爐安全運行,決定對局部減薄爐管進行割管處理,分析壁厚測定減薄的原因。

1 爐管檢測分析

1.1 爐管的宏觀、低倍檢查

將F101對流室底部爐管壁厚測定減薄部位進行割管,經外觀檢查可見爐管內、外管壁表面未有明顯的裂紋、蝕坑,且爐管壁厚宏觀上也未見明顯減薄。通過低倍鏡觀察在爐管管壁中存在著長度大約55 mm環向裂紋;裂紋距離爐管外壁表面大約4 mm左右,與爐管外壁壁厚測定結果一致。宏觀檢查結果見圖1。

圖1 送檢爐管的宏觀形貌

將爐管壁厚測定減薄處機械打開,得到爐管裂紋暴露面,通過低倍鏡可以看到爐管斷口呈黑紅色,有金屬氧化的特征,斷口上還有一些陳舊性的二次裂紋,見圖2～3。

圖2 爐管管壁中分層(裂紋)的低倍形貌

圖3 爐管管壁斷口的低倍形貌

通過分析爐管宏觀檢查結果,發現爐管不存在沖刷、腐蝕引起的局部減薄,爐管裂紋與管壁平行,未見明顯傾斜角度,存在于爐管距離外壁4 mm處,可以確定該裂紋不是由爐管內壁或外壁缺陷引起,在爐管中部應該是爐管冶煉或制造加工過程中產生的分層缺陷,在運行過程中逐漸擴展,發展為宏觀裂紋。

1.2 爐管的材質分析

在爐管上取塊狀樣品,通過便攜式X射線熒光光譜分析,測定其化學成分,檢測結果見表1。分析結果表明,爐管材質成分符合TP347不銹鋼的標準要求。

表1 爐管材質的化學成分

1.3 爐管的金相檢驗分析

在爐管上切取金相樣品,經預磨、拋光、腐刻后,在顯微鏡下觀察分析,發現爐管分層(裂紋)的中間部位較寬、分叉較少;分層(裂紋)端部較細、分叉較多;分層(裂紋)內部有產物充塞;爐管分層(裂紋)處的金相組織與未分層處的金相組織相同,均為奧氏體組織,未見材質劣化。見圖4～5。同時對爐管樣品進行硬度檢查,爐管的硬度為:HV1.0/15 s160.2(166.4,160.2,154.0),相當于HB152,未見明顯異常。

圖4 爐管管壁分層的金相組織

圖5 爐管管壁的金相組織(未分層處)

1.4 爐管的電鏡分析

使用掃描電鏡,對爐管斷口和裂紋進行形貌觀察和元素成分能譜分析。

爐管(分層)斷口上有大量的顆粒狀產物附著;能譜分析表明,這些顆粒狀產物主要由O、Si、Nb、Cr、Mn、Fe、Ni等元素構成,即這些顆粒物為金屬的氧化物,見圖6。

圖6 爐管斷口的OM+SEM+EDS

爐管(分層)裂紋較寬處為空洞,在裂紋較窄處(即裂紋尖端)有產物充塞;能譜分析表明,裂紋中的產物為金屬的氧化物,見圖7。

圖7 爐管分層(裂紋)的SEM+EDS

爐管母材中的白色顆粒為富Nb處;爐管母材成分中主要元素構成符合TP347不銹鋼的Cr18-Ni10-Nb-Fe(余)的成分比例,見圖8。

圖8 爐管母材的SEM+EDS

2 爐管運行環境分析

反應進料加熱爐F-101加熱介質為原料柴油、循環油、補充氫混合物,進爐溫度250～280 ℃,出爐溫度340～380 ℃,爐管介質壓力10.0 MPa,對流室爐膛溫度統計表見表2,分析統計結果,對流室爐管運行工況穩定,無超溫運行情況。

表2 2022對流室溫度統計表

3 爐管失效分析

通過對送檢爐管宏觀檢查、材質分析、金相分析、電鏡分析,發現爐管測定壁厚減薄處未見宏觀意義上的壁厚減薄,而是存在與爐管表面平行,傾斜角度不大的55 mm長裂紋。對該裂紋處爐管進行材質分析、金相分析、硬度測定、掃描電鏡分析,該爐管材質符合TP347,未見明顯的材質劣化。查閱加熱爐運行溫度記錄,發現該加熱爐操作穩定,未出現超溫運行情況,綜合分析檢驗結果,認為該爐管的開裂(管壁分層)不是在加熱爐運行期間產生的,而是爐管本身帶有的原始冶煉、制造加工缺陷,形成的分層,在超聲測厚檢測時表現為壁厚減薄。

不銹鋼管(板)壁的分層(裂紋)大都與其冶煉、加工(穿管、軋管)等制造過程有關,屬于鋼管(板)的原始缺陷[1-6]。

分層缺陷的危害主要有[7]:1)使分層處鋼管承受載荷的有效厚度減薄,降低材料的塑性、韌性、疲勞性能和耐腐蝕性能;2)分層缺陷的邊緣形狀尖銳,會引起應力集中。其對應力作用非常敏感,特別是在交變載荷作用下,易產生應力疲勞裂紋;3)在含濕硫化氫的液化石油氣、高溫高壓臨氫介質等工況條件下,靠近內表面的分層缺陷會發展變化生成鼓包、裂紋等危險性缺陷;4)如果分層缺陷出現在鋼管兩頭的坡口處,焊接工藝又沒有進行坡口質量的控制,焊接接頭的質量將受到嚴重影響。

因此,在運行過程中將管壁分層的爐管檢測出來,并去除更換是非常及時和必要的,消除了裝置的安全隱患。

4 結論及建議

4.1 結論

1)爐管的材質成分符合TP347不銹鋼的標準要求。

2)爐管的金相組織為奧氏體。

3)爐管的硬度為HV160.21(相當于HB152)。

4)爐管的分層(裂紋)性質為原始冶金、加工缺陷,大量氧化物的存在導致了爐管的分層(裂紋)。

4.2 建議

1)加強對爐管的超聲測厚檢查,防止帶有此類缺陷的爐管進入生產使用。

2)定期對加熱爐煙氣露點溫度進行監測,合理控制物料進料溫度,確保爐管管壁溫度高于煙氣露點溫度,避免煙氣露點腐蝕。控制燃料中的硫化物含量和固體顆粒含量,減少排放煙氣中的SO2、SO3等硫化物含量和粉塵含量。

3)嚴格遵守操作規程及加熱爐工藝指標,保證加熱爐在設計允許的范圍內運行,嚴禁超溫、超壓、超負荷運行,并盡量避免過低負荷運行(過低負荷一般指低于設計負荷的60%)。