制氫轉化爐下尾管開裂原因分析及對策

趙玉柱

摘? ? ? 要： 中石油撫順石化公司制氫轉化爐的錐形管與下尾管焊縫處發生了斷裂，影響了設備的有效運行。為了查明原因，避免失效的再次發生，通過宏觀及低倍檢驗、化學成分分析、金相組織檢驗、電鏡及能譜分析等手段，對失效樣品進行了一系列實驗室檢測分析。結果表明：高溫氧化和高溫蠕變是造成下尾管處斷裂的主要原因。錐形管小頭管壁斷裂失效過程為：晶界、晶內析出碳化物—晶界氧化、蠕變—晶界開裂—管壁斷裂。為了保障轉化爐的正常運行，建議對爐管下尾管與錐形管小頭焊縫處進行重點的排查，并采用金相和力學檢測等手段，對爐管的劣化程度進行評估。同時，嚴格控制爐管的出口溫度和轉化氣的成分，進而延長爐管的使用壽命。

關? 鍵? 詞：制氫;轉化爐;高溫蠕變;高溫氧化

中圖分類號：TQ116? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2579-05

Cause Analysis and Countermeasures for Cracking of Lower

Tail Pipe of Hydrogen Production Plant Reformer

ZHAO Yu-zhu

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun 113001， China）

Abstract：? The welding between the conical tube and the pigtail tube of hydrogen reformer in CNPC Fushun Petrochemical Company had broken， which had affected the effective operation of the equipment. In order to find out the cause and avoid the recurrence of the failure， a series of laboratory tests were carried out on the failed samples by means of macroscopic and low-power test， chemical composition analysis， metallographic examination， electron microscope and energy spectrum analysis. The results showed that high temperature oxidation and high temperature creep were the main reasons. The results showed that the fracture failure process of the tapered tube wall was as follows： carbide precipitates within the grain， boundary oxidation， creep of the grain， boundary cracking and pipe wall fracture. In order to ensure the normal operation of the reformer， it was suggested that the similar weld position should be investigated， and the deterioration degree of the furnace tube should be evaluated by means of metallographic and mechanical testing. At the same time， the outlet temperature of the furnace tube and the composition of the transformed gas should be strictly controlled so as to extend the service life of the furnace tube.

Key words：? Hydrogen production plant; Reformer; High temperature creep; High temperature oxidation

中國石油撫順石化公司石油二廠60 000 m3·h-1制氫裝置于2012年6月投入使用。制氫轉化爐共有200余根爐管。爐管材質記載為ZG40Cr25Ni35Nb，規格為ф127×12 mm。2020年8月，轉化爐中的一根爐管在其出口錐形管（小頭側）與下尾管連接焊縫處發生了斷裂，如圖1所示。爐管之間連接采用氬弧焊（GTAW）。爐管內介質為轉化氣（H2+CO+CO2+CH4+H2O），溫度780 ℃，壓力? ? 2.5 MPa。為了分析下尾管斷裂的原因，并進一步確定爐管的服役狀態，進行了一系列的檢測分析。

1? 檢測與分析

1.1 宏觀及低倍形貌分析

錐形管斷裂在其小頭與下尾管的焊縫處附近，即錐形管小頭側的焊接熱影響區;錐形管小頭端的斷口與下尾管焊縫端的斷口，兩者無法很好地匹配對合，表明錐形管小頭端斷裂處有缺失;還有錐形管小頭端從其斷裂處向大頭端方向有大約30 mm的環形區域出現了大量的網狀裂紋，裂紋的開裂嚴重程度為環向（橫向）裂紋大于軸向（縱向），而且在錐形管小頭端，即距離斷口越近處，裂紋深而寬;隨著距離斷口的漸遠，裂紋變得淺而窄;同時，在錐形管小頭的管壁（有網狀裂紋區域）發生了明顯地脹粗，如圖2所示。在錐形管上沒有脹粗、開裂區域，即在錐形管的外表面，仍然可見錐形管外表面機加工后留下的環形刀痕，而在錐形管上已經發生脹粗、開裂區域，則就很難看到機加工環形刀痕的存在。

另外，由于轉化爐管上的錐形管、焊縫、下尾管等都是由Fe、Cr、Ni等元素構成的奧氏體組織，為順磁性，但當在對錐形管小頭脹粗、開裂部分進行磁鐵檢測時，確認該區域已經為鐵磁性，而在錐形管未脹粗開裂部分則仍為順磁性。錐形管小頭端斷口處沒有明顯的塑性變形，裂紋大多是起源于錐形管小頭端外壁的環向（橫向）裂紋處，斷口呈灰黑色，為脆性斷裂，如圖3所示。

1.2? 化學成分分析

分別從錐形管和下尾管切取相關部位的塊狀樣品，依據標準，利用直讀光譜儀對其材質進行化學成分分析，檢測結果如表1所示。所檢元素符合HG/T 2601—2011中ZG50Ni39Cr19的化學元素要求，故判定下尾管與錐形管的材質為ZG50Ni39Cr19。

1.3? 金相組織檢驗分析

采用蔡司金相顯微鏡，通過對失效樣件進行金相取樣，磨制、拋光、浸蝕等處理后，金相組織觀察結果如下：在錐形管小頭斷口及內、外壁邊緣的裂紋區域，管壁金相組織為灰黑色氧化物與白色金屬交織分布，其中還有大量的裂紋及孔洞，如圖4（a）所示。

在錐形管小頭氧化區與金屬基體分界線附近，有一個過渡區（也在錐形管的內、外壁表面），金相組織為晶界上有大量析出物，晶內有大量的塊狀、針狀的析出物（主要是Cr、Fe的碳化物），如圖4（b）所示。

錐形管大頭外壁有很薄的氧化層，金相組織為單相奧氏體，錐形管管壁中心金相組織為單相奧氏體，晶界和晶內未見明顯的析出物，見圖5（a）;錐形管內壁有大約300 μm厚度的氧化層，氧化層中有裂紋和孔洞存在;由氧化層向內為過渡層，該區域晶界有大量的析出物，晶內也有塊狀、針狀析出物，見圖5（b）。

斷裂發生在錐形管小頭與焊縫之間的焊接熱影響區，斷口處金相組織灰黑色氧化物與白色金屬交織分布，其中還有大量的裂紋及孔洞，與其緊鄰焊縫區的晶界、晶內有大量的析出物存在，見圖6（a）;焊縫金相組織為奧氏體，晶粒相對粗大，與錐形管小頭和下尾管熔合良好，見圖6（b）;下尾管金相組織為奧氏體，晶界、晶內有析出物，存在一定的敏化傾向，見圖6（c）。

1.4? 電鏡與能譜分析

利用掃描電子顯微鏡以及能譜分析儀，對斷口的宏觀形貌及表面成分進行了分析。錐形管小頭斷口處沒有明顯的塑性變形，為沿晶脆性斷裂，斷口表面有氧化腐蝕產物附著，還有蠕變孔洞和縱向裂紋存在。能譜分析表明，斷口表面有C、O、Al、Si、S、Cr、Mn、Fe、Ni等元素，其中C、O、S等來自轉化氣中，其余元素來自錐形管，斷口表面產物主要為Cr、Fe的氧化物，如圖7所示。

2? 結果與討論

影響錐形管小頭與下尾管焊縫及附近使用狀況的主要因素：爐管材質、應力狀況、環境條件? ? 等[1-4]。

2.1? 材質劣化

制氫轉化爐出口處使用的管材通常為Fe-Cr-Ni合金，此類管材在750～800 ℃（超溫時可達900 ℃）下長期服役過程中，其材質容易發生碳化物析出現象（晶內出現塊狀、針狀析出物;晶界析出物成網狀）。當有碳化物（Cr23C6）沿晶界析出時，勢必導致晶界附近出現貧Cr。而Cr是抗晶間腐蝕的重要元素，它的減少必然引起耐蝕性能下降，最終造成沿晶界的腐蝕發生（高溫下腐蝕形式表現為氧化），造成爐管的脆化。

錐形管小頭斷口處管壁氧化十分嚴重，導致發生斷裂。

2.2? 應力作用

錐形管小頭與下尾管焊接接頭部位的局部應力狀態復雜，使得錐形管小頭上存在不同方向的裂紋，即網狀裂紋，而且環向裂紋大于軸向裂紋，故斷裂為環（橫）向斷裂。裂紋的起裂和擴展與結構應力和焊接應力密切相關，應力造成了錐形管小頭管壁蠕變裂紋和蠕變孔洞的產生。同時，由于轉化爐管系統中壓力、氣流等的變化，也存在一定的振動交變載荷，也會對裂紋的發生發展產生一定的影響。

錐形管小頭的斷裂，主要的裂紋擴展是由錐形管小頭外壁向內進行的，這種狀態的產生可能與該根爐管中的錐形管小頭與下尾管的焊接質量有關。據爐管生產廠家提供的資料，爐管出口部位的連接均為手工氬弧焊，焊接后對各條焊縫都進行了探傷檢查，對于錐形管小頭與下尾管的焊縫沒有進行探傷檢查（可能是由于該焊縫外邊還有外套管，而無法進行探傷的緣故）。因此，不能排除該根爐管的錐形管小頭與下尾管焊接處存在著原始焊接缺陷（微裂紋、氣孔等）。如果存在原始焊接缺陷，在爐管的長期高溫運行過程中，就容易在焊接缺陷處產生裂紋，一旦裂紋出現，就會促進該根爐管氧化、蠕變和斷裂失效。

2.3? 高溫過熱

由于下尾管服役環境中存在水蒸氣等氧化性介質，在高溫下裂紋出現的地方會被迅速氧化，而晶界是較容易發生氧化的區域因而首先氧化，氧化物在晶界的增多導致晶界脆化，脆化的晶界對裂紋擴展的抗力下降，加快了裂紋在晶界處的擴展。而一旦出現超溫時，晶界的氧化將更為迅速，晶界蠕變裂紋和孔洞更易形成，加速錐形管小頭的斷裂。

3? 結論及建議

1）經檢驗，錐形管和下尾管材質ZG50Ni39Cr19。

2）下尾管與錐形管小頭焊縫處發生了斷裂，斷口在錐形管小頭側的焊接熱影響區，為脆性斷裂。錐形管小頭處管壁氧化腐蝕嚴重，出現脹粗變形和網狀開裂。下尾管與錐形管小頭焊縫處的斷裂，應該與該管的自身因素有關，不能代表其他爐管目前的使用狀況。

3）轉化爐管在高溫下長期運行，爐管出口處的錐形管小頭與下尾管的焊接區域成為相對薄弱處。該處結構復雜、應力集中，在高溫氧化、高溫蠕變的作用，錐形管小頭管壁斷裂失效過程為：晶界、晶內析出碳化物—晶界氧化、蠕變—晶界開裂—管壁斷裂。

根據以上失效原因，提出建議如下：

1）通過對下尾管處的斷裂失效分析確認了高溫氧化和高溫蠕變是造成下尾管處斷裂的主要原因，而下尾管與錐形管小頭焊縫質量可能是重要的因素，應該是爐管長期使用后出現的正常狀態。

2）為保證制氫轉化爐的安全運行，應該對爐管下尾管與錐形管小頭焊縫處進行重點的排查，如發現脹粗、變形現象，則應及時地予以更換。

3）參照相關標準[5]，對爐管（轉化爐管）進行金相檢驗和常溫、高溫力學試驗，如轉化爐管的金相組織和力學性能未見出現明顯的變化，則可繼續使用。

4）在裝置運行時要嚴格地控制爐管的出口溫度和轉化氣的成分，減少爐管劣化進程的發展，延長爐管的使用壽命。

參考文獻：

[1] 丁宇奇，戴希明，劉巨保，等.制氫轉化爐關鍵連接部位應力集中與開裂預防方法研究[J].化工機械，2017，44（3）：284-291.

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[3] 王強.制氫裝置轉化爐爐管短節開裂原因分析[J].石油化工設備，2016，45（增刊1）：48-52.

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[5] HG/T 2601—2011，高溫承壓用離心鑄造合金爐管[S].