F2001制氫轉(zhuǎn)化爐爐管凸臺開裂失效分析

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)

某石化公司2號芳烴F2001制氫轉(zhuǎn)化爐是該裝置關(guān)鍵設(shè)備之一，投用4 a后發(fā)現(xiàn)制氫轉(zhuǎn)化爐爐管靠近集合管焊縫下凸臺開裂。停車檢查發(fā)現(xiàn)有60根爐管凸臺相同位置開裂。爐管材料為ZG40Cr25Ni35Nb-Ti，爐管內(nèi)主要是氫氣，少量二氧化碳和一氧化碳。管內(nèi)最高操作溫度為830 ℃，操作壓力3 MPa。鑒于上述情況，通過各

種手段來分析本次爐管凸臺開裂的原因，以做好應(yīng)對措施。

1 爐管凸臺材料化學(xué)成分分析

爐管凸臺材料化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，由表1分析結(jié)果表明現(xiàn)場爐管凸臺材料與原設(shè)計材料相符，具體牌號為ASTM B564 N08811。

表1 爐管凸臺材料化學(xué)成分分析 w,%

2 爐管凸臺開裂宏觀形貌分析

爐管凸臺開裂宏觀形貌見圖1。從圖1可知，裂紋開裂位置恰好在凸臺鍛件的臺肩幾何形狀突變部位。裂紋周邊沒有發(fā)現(xiàn)明顯變形，呈脆性斷裂特征,爐管及焊縫經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 爐管凸臺開裂宏觀形貌

爐管開裂部位橫截面照片見圖2，從圖2可以看出，大部分的斷口形貌已被機(jī)械切割所破壞，局部仍保留原始斷口，斷口呈嚴(yán)重高溫氧化特征。

圖2 爐管開裂部位橫截面照片

主斷口附近的凸臺內(nèi)外表面形貌見圖3,發(fā)現(xiàn)該部位凸臺內(nèi)表面存在大量的細(xì)小裂紋，而該部位凸臺外表面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表面光潔。另外通過解剖爐管，在遠(yuǎn)離該部位的爐管、焊縫以及凸臺鍛件上內(nèi)表面均未發(fā)現(xiàn)有裂紋性缺陷存在。因此確定本次凸臺開裂是從凸臺內(nèi)壁開始的，而非所看到的外壁開裂現(xiàn)象。

3 爐管凸臺材料的金相組織分析

為了便于觀察主斷口附近的凸臺材料金相組織及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有無異?，F(xiàn)象，同時觀察材料內(nèi)部有無缺陷,對主斷口附近的凸臺材料進(jìn)行金相分析。金相試塊取樣見圖4。

圖4 凸臺主斷口附近金相試樣照片

1號試樣和2號試樣凸臺開裂鄰近處的金相組織照片見圖5。從圖5中可以觀察到，材料金相組織為奧氏體+碳化物+金屬間化合物，碳化物彌散分布在晶內(nèi)。

在凸臺主斷口鄰近內(nèi)壁處發(fā)現(xiàn)諸多的裂紋，內(nèi)表面存在輕微的高溫氧化導(dǎo)致的沿晶腐蝕。凸臺外表面并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷存在,這與宏觀形貌觀察一致。

4 凸臺軸肩開裂部位微觀形貌

4.1 凸臺軸肩主斷口微觀形貌

雖然凸臺軸肩主斷口大部分已被破壞，但仍保留有小部分?jǐn)嗫?。主斷口靠近?nèi)壁處微觀形貌見圖6，近外壁處斷口已全部破壞。從圖6可以看出,近內(nèi)壁處斷裂以沿晶為主，放射性條紋反映出裂紋擴(kuò)展方向是由內(nèi)壁向外壁,整個斷口已呈嚴(yán)重氧化特征。鍛件材料內(nèi)部夾雜物呈塊狀或球狀,沒有發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展斷口特征,因此可以判斷本次開裂不是由于疲勞載荷作用引起的。

圖5 1號試樣和2號試樣金相組織照片

圖6 凸臺軸肩主斷口微觀形貌

4.2 金相試樣微觀形貌分析

凸臺主斷口鄰近處內(nèi)壁裂紋開裂微觀形貌照片見圖7。從圖7中可以看出,諸多裂紋處存在夾雜物,這是典型的由夾雜物引起的脆性開裂特征。

圖7 凸臺開裂內(nèi)壁裂紋夾雜微觀形貌

4.3 主斷口鄰近處內(nèi)表面微觀形貌

凸臺主斷口鄰近處內(nèi)表面微觀形貌照片見圖8。從圖8中可以看出,該處內(nèi)壁存在較多的細(xì)小裂紋，垂直爐管方向裂紋較為粗大,平行于爐管方向裂紋較為細(xì)小。粗大裂紋內(nèi)也可觀察到夾雜物。

圖8 主斷口鄰近處內(nèi)表面微觀形貌

綜上所述，造成本次凸臺軸肩開裂的原因是:內(nèi)壁材料夾雜物引起的脆性裂紋，在高溫載荷作用下最終造成裂紋擴(kuò)展直至穿透壁厚。

5 凸臺材料能譜分析

5.1 夾雜元素能譜分析

裂紋中夾雜物的元素能譜分析結(jié)果見圖9和圖10。結(jié)果表明:裂紋中的夾雜物為氧化硅、氧化鉻以及氧化錳。

圖9 譜圖6處夾雜物能譜分析及位置

圖10 譜圖9處夾雜物能譜分析及位置

5.2 材料內(nèi)部析出物的能譜分析

從金相上看材料內(nèi)部除了彌散分布于晶內(nèi)的碳化物，在晶間上還存在較多的析出相。材料內(nèi)部晶間處析出相的能譜分析見圖11。從圖11可以看出,析出相為TiC和TiN。

圖11 凸臺材料內(nèi)部析出相能譜分析

6 結(jié) 論

(1)凸臺鍛件材料化學(xué)成分與原設(shè)計相符。

(2)從材料金相方面分析，材料長期在高溫環(huán)境作用下(830 ℃)，碳化物呈彌散狀分布于晶內(nèi)，且有TiC等相析出，使材料脆性有所增加。

(3)根據(jù)斷口及裂紋微觀形貌分析，裂紋內(nèi)含有較多的夾雜物，主要為氧化硅、氧化錳以及氧化鉻。裂紋表征為夾雜引起的脆性開裂。由于該處位于凸臺軸肩部位，承受的載荷除了應(yīng)力集中外，還承受局部彎曲應(yīng)力，受力狀況比較復(fù)雜。在復(fù)雜載荷作用下，夾雜物周邊萌生裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致內(nèi)壁開裂。

(4)從設(shè)計角度分析，因設(shè)計單位首次設(shè)計如此大型煉油裝置經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計存在缺陷，轉(zhuǎn)化爐底部熱壁集合管凸臺結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力集中(該處峰值應(yīng)力非常高),在高溫狀態(tài)使用容易發(fā)生開裂失效。在高溫使用中，由于各種原因變形不一致，系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償不足，造成局部熱應(yīng)力較高。

(5)從現(xiàn)場凸臺結(jié)構(gòu)考慮，252根爐管凸臺部位用堆焊方式堆出圓滑過渡結(jié)構(gòu)，要求過渡半徑大于5 mm，部分消減原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值。1 a后，機(jī)會停車抽查，情況良好。

(6)從本次檢查分析情況來看，裂紋是從內(nèi)壁夾雜處萌生，并向外擴(kuò)展。因此要對現(xiàn)有的爐管凸臺鍛件內(nèi)壁進(jìn)行全面檢查，不能排除在用的凸臺內(nèi)壁沒有裂紋存在；下次停車時有條件要更換同一批次的凸臺鍛件。

(編輯 王菁輝)