裂解炉管热疲劳失效分析

裂解妒　乙烯工业２ＥＴＨＹＬＥＮ０Ｅ０９　Ｉ，Ｎ２Ｄ１Ｕ（３ＳＴ）４ＲＹ　９～５１　裂解炉管热疲劳失效分析　尤兆宏　（上海赛科石化股份有限责任公司，上海，２０１５０７）　摘要：采用金相、断口扫描电镜等手段对投用４年的裂解炉管６　ｍ高度处的裂纹进行了分析。裂纹　起源于外表面，呈多奈平行分布沿周向扩展。分析表明，炉管微观组织正常，没有大量碳化物积聚和蠕变　空洞，外表面有轻微的脱碳层，表明炉管没有超温迹象。炉管开裂是由热疲劳所致。热疲劳是由于炉管　烧焦期间升降温产生的交变热应力和机械应力共同作用造成的。　关键词：裂解炉管；ＨＰ４０钢管；热疲劳　裂解炉炉管在投用过程中因长期处于苛刻的　裂纹附近也有近似裂纹的蠕变空洞。　高温环境中，可能会发生蠕变、热疲劳、过热氧化、　渗碳、腐蚀等现象，这些因素使材料性能劣化，一　旦发生意外破裂，有的引起炉内燃烧，严重时火焰　越过炉顶将对流段炉管烧毁，甚至将炉外的废热　锅炉烧坏，带来重大经济损失＿１．２　Ｊ。　某裂解炉炉管外表面出现浅的多条平行的裂　纹，裂纹均为周向方向，在高度为６　ｍ处，此处是　炉管温度最高部位。图１为炉管裂纹宏观照片，　每条裂纹均较短。该管材质为３５Ｃｒ一４５Ｎｉ，离心　铸造，设计工作压力约０．１　ＭＰａ，温度为１　１２５　ｃＣ，　设计寿命１Ｏ万ｈ。正常情况下，炉管应在使用　（６～８）×１０　ｈ后出现渗碳、减薄、蠕变而导致失　效　一　。但此次出现裂纹的炉管使用不到４年，　属非正常破坏，需要对此进行深入分析。　图２较浅裂纹金相形貌示意　图３最深裂纹金相形貌示意　从剖面看，外表面裂纹均很浅，内表面未发现　裂纹。最外层有薄层氧化膜，靠近最外层有层轻　微的脱碳现象，脱碳层深度约０．２　ｍｍ。大部分裂　纹深度不超过０．２　ｍｍ，在脱碳层内。最深的　图１　焊缝附近的母材上多条平行裂纹示意　收稿日期：２００８—１２—２４。　作者简介：尤兆宏（１９６５一），上海市静安区人，１９８６年毕业于　１裂纹金相检查　华东理工大学机械系化工机械专业，长期从事石油化工企业　图２和图３为较浅裂纹形貌和最深裂纹形　工作，对设备的管理和运行有丰富经验，现为工程服务部经　理，高级工程师。　貌。裂纹尖端圆钝，裂纹表面为氧化物。另外，在　・５０・　乙烯工业　第２１卷　裂纹约１　ｍｍ。裂纹前端和裂纹附近未发现金相　组织异常现象。图４为炉管壁厚中部金相组织，　为奥氏体和碳化物，碳化物长大和集聚不明显，是　炉管的正常组织，说明炉管没有超温。　图４炉管壁厚中部金相组织示意　２断口扫描电镜分析　图５为断口扫描照片，断口上均为氧化物。　能谱显示断口表面氧化物成分：０为４．５７％，Ｓｉ　为２．３６％，Ｎｂ为１．９４％，Ｓ为０．９５％，Ｃｒ为　２６．０８％，Ｍｎ为０．８４％，Ｎｉ为３２．０７％，Ｆｅ为　３１．２９％　图５断口表面氧化物扫描电镜形貌５００×　３讨论　从炉管外表面的裂纹宏观形貌看，是典型的　热疲劳裂纹的特征。　从炉管金相上看，未发现碳化物集聚长大现　象，因此超温不明显。　该段炉管处在温度最高部位，受热冲击影响　也更严重，这也加剧了热疲劳裂纹的产生和扩展。　由于裂解炉每运行一段时间，就需要停炉烧　焦。频繁的升降温操作，以及由事故而造成的紧　急停车，均会造成温度的急剧变化，产生很大的交　变热应力。炉子运行期间，炉管处在其材料敏化温　度区域内，很大程度上降低了材料的疲劳强度　。　在裂解炉正常运行时，炉热量从炉管的外壁　传向内壁，产生由外壁向内壁的温差，相应地产生　一定的热应力。尤其当管内壁产生结焦后，低传　热系数的结焦层会使管壁温度上升，产生的热应　力也相应增大。当停炉时或对炉管内壁烧焦时，　热的流动趋近于零。烧焦过程的放热反应甚至会　使管内壁温度高于外壁温度，产生与运行时相反　的温度梯度和热应力。高温下使用的大多数炉管　为奥氏体材料，热膨胀系数大，热传导率低，容易　产生较大的热应力。炉子周期性的操作，其温度、　压力的变化会引起炉管的应力变化，长时间后会　导致炉管材料的热疲劳。事实上作用于炉管的应　力是相当复杂的，不仅包括管壁温差引起的热应　力和炉子升、降温过程的温度、压力变化产生的应　力变化，还包括炉管重力、弯距和约束等引起的机　械应力。　裂解炉需要定期的进行停炉烧焦和清焦，裂　解炉炉管及弯头的热疲劳损伤相对来讲比较严　重。根据经验，高碳离心铸造炉管（ＨＫ４０、４０ＨＰ　型）等材料的热疲劳抗力可以达１６０～１８０　ＭＰａ以　上。但由于渗碳，碳化物析出等造成的材料的劣　化会使炉管的热疲劳损伤加快。　４结论　从炉管金相上看，没有发现碳化物集聚长大　现象，因此超温不明显。　炉管外表面有平行的、浅的小裂纹，是热疲劳　所致。热疲劳是由于炉管烧焦期间升降温产生的　交变热应力和机械应力共同作用造成的。　参考文献：　［１］杨国安，王世圣，周先军，等．乙烯裂解炉管开裂原　因分析及剩余寿命预测［Ｊ］．石油化工设备技术，　１９９７，１８（１）：２１—２４．　［２］尤兆宏．乙烯裂解炉炉管失效分析［Ｊ］．化工机械，　２００７，３４（６）：３４６—３４８，３５５．　［３］Ｉ　Ｌｅ．Ｍａｙ，Ｔ．Ｌ．ｄａ　Ｓｉｌｖｅｉｒａ，Ｃ．Ｈ．Ｖｉａｎｎａ．Ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｍａｉｎｉｎｇ　ｌｉｆｅ　ｉｎ　ｒｅｆｏｒｍｅｒ　ｆｕｍａｅｅ　ｔｕｂｅｓ『Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　第２１卷　尤兆宏．裂解炉管热疲劳失效分析　・５ｌ・　・　烯雀线。　中国石化五大手段发展清洁化工　中国石化是集油气勘探开发、炼油化工和产品销售于一体的特大型能源化工公司。发展清洁化工，　推进可持续发展，既是义不容辞的社会责任，也是提高企业经济效益，提高竞争力的内在要求。对于发展　清洁化工，中国石化主要做法有以下几个方面：　一、推进结构调整。规模化、集约化是世界石化工业发展的普遍趋势，也是发展清洁化工的重要途　径。中国石化坚持走以内涵发展为主的道路，积极推进结构调整和技术改造，不断提高生产的集中度，大　幅降低能耗、物耗。经过努力，目前已经形成了１１个千万吨级的炼油基地和５个百万吨级的乙烯基地，　初步形成了长三角、珠三角和环渤海湾三大炼化企业集群。这种布局有明显地降低物耗、能耗和污染物　排放的优势。同时，对规模小、能耗比较高、污染比较重的落后生产设施进行了关停并转。　二、充分依靠技术进步。中国石化历年来都高度重视技术进步在节能减排工作中的重要作用。积极　开发和推广先进实用的节能减排的新技术。在炼油技术上重点推广优化换热流程、加热炉强化传热、热　电联产、低温热利用等技术，在化工中主要推广吸收式热泵、扭曲片管强化传热、裂解炉空气预热等技术。　在节水减排方面，组织科研、设计和生产单位开展“一条龙”的攻关，开发节水减排的成套技术，每年可节　约用水１１　１９０　ｋｔ，污水排放减少１２　７９０　ｋｔ。　三、优化资源的综合利用。中国石化积极实施“煤代油、焦代油、气代油”工程，对化肥装置实施煤炭　或者高硫石油焦原料路线改造，对燃油锅炉实施高硫石油焦燃料路线改造，对石脑油制氢装置实施天然　气原料路线改造，既降低了生产成本，又优化了资源利用。同时运用先进的资源优化的技术，将原油资源　更多地配置到了物耗、能耗比较低、综合体制比较好的企业，提高了综合利用水平。　四、加强管理。中国石化把节能减排作为一项重要的基础管理工作，在全公司建立起了节能减排的　管理体系。配备了一些专业能力比较强、在管理上有一定水平的管理人员，形成了一套严格的节能、节水　和环保管理的制度。在实际工作中，中国石化结合各板块、各企业的实际，每年有针对性地下达一系列的　节水、节能和环保的指标，并且层层抓落实。把落实的指标与经济责任制的考核，与干部升迁结合起来。　通过加强管理，努力实现装置的安全、稳定、长周期的运行，实现装置的清洁生产。　五、加强“三废”综合利用。中国石化按照“减量化、再利用、资源化”的方针，大力发展循环经济，积　极推进“三废”综合利用，减少污染物的排放，开发和推广了火炬气、油气、污水、污油回收等一系列废物　资源的综合利用工作，使“三废”排放得到了有效控制，每年安排专项资金用于污水的治理，解决了一些　突出的环保问题，这样既提高了“三废”的排放达标率，又节约了能源、资源，提高了效益，利用国家“三　废”利用税收减免政策，鼓励所属企业不断提高“三废”综合利用水平。　摘自《中国石化新闻网））２００９—０７—０６