乙烯裂解炉对流段炉管破裂失效原因分析

董阳

摘要：乙烯是石油化工企业的龙头产业，在乙烯生产过程中，乙烯裂解炉是十分重要的设备，而炉管又是乙烯裂解炉运行过程中的关键部件。对于乙烯工艺生产运行而言，确保对流段、辐射段的炉管安全都至关重要。但是，炉管运行的环境较为复杂，高温高压、热应力、高碳、疲劳等因素影响，会导致炉管发生破裂而失效。文章对乙烯裂解炉对流段炉管破裂原因及其相关进行了分析、探讨，以供相关参考。

关键词：裂解炉；炉管；失效分析；应力腐蚀

前言

在乙烯生产装置中乙烯裂解炉发挥着非常重要的作用，包括加工烃类原料，如石脑油、炼厂气等为裂解中间产物，同时将其供给下游装置，以获得丙烯、乙烯与不同类型副产品。其通常是由通风系统、余热回收系统、燃烧器、对流段与辐射段等部分构成。

一、装置运行情况分析

文章以某厂乙烯裂解炉对流管换热炉管破裂事故为例，进行裂解炉对流管破裂原因分析。破裂失效的炉管为裂解炉的对流段，尺寸大小为φ114.3x3 mm，炉管采用的是ASTM SA312材质。管程设计温度为438摄氏度，设计压力为0.48兆帕，管外介质烟气温度最高可达1155摄氏度，压力值为-12千帕。在炉管运行过程中，会出现较大的温度、压力波动，波动范围在40摄氏度左右，且波动频率为3-6min/次。调查发现，装置在运行过程中，原料第2路温度、投料量偏高，在对流段周边产生刺鼻气味，对流段存在泄漏可能。在对裂解炉进行退料检修过程中，原料预热断的原料第2路线出现两根入口关存在泄漏问题，其他原料管线入口也出现不同的局部腐蚀现象。

二、失效部位宏观形貌分析

在宏观检验过程中，失效部位出现max165mmx2.5mm的环向穿透裂纹，以锯齿状分布。在主裂纹两侧管外壁出现多条与主裂纹平行分布的小裂纹。在裂口周边的炉管变形问题较为明显，表现为局部鼓凸、凹陷。失效段炉管在炉管的弯曲位置附近，受到较大的拉应力影响。

三、失效原因分析

裂解炉的运行，会在炉管内部生产焦炭、聚合物等对管道形成堵塞，为确保管道畅通需进行定期烧焦。在预热断炉管主要进行蒸汽吹扫、空气烧焦操作，在原料进入对流段前，由于各个分支同心大小不同，以及管底高度不一致，导致蒸汽吹扫存再炉管底部形成积水，导致炉管下半部分出现较为严重的局部腐蚀。

采用能谱分析发现，在炉管裂纹的断口处覆盖较多的易腐蚀物质，如硫、氯、碱等，导致不锈钢体发生腐蚀，在检测过程中硫、氯、碱金属Naa的含量分别达1.56%、0.35%、1.76%，这也是炉管外高温烟气有害成为的主要来源。在进行断口检验过程中，发现应力波动会对炉管裂纹的形成与扩展起到重要作用。尤其是受到高温、腐蚀的影响，加剧了应力波动的危害，即便是较低的交变应力幅值，也会导致高温腐蚀疲劳现象，使得炉管在短时间内发生断裂。导致炉管应力波动的来源主要包括以下几个方面：①炉管介质温度与压力发生波动；②烧焦、清焦的频率较为频繁；③设备开停车；④炉管局部弯曲变形而影响介质高速流动，进而导致炉管温度、压力发生变动；⑤裂解炉的出口温度发生变化；⑥炉管内气液交替流动使得炉管温度、压力发生变化。

碳化物在形成过程中，会导致晶界及其附近大量铬被消耗，导致这一位置发生贫铬现象，降低不锈钢钝化能力，使得此处的不锈钢管出现晶间腐蚀的现象。面对这样的反应环境，对流预热管采用超低碳不锈钢、奥氏体不锈钢材质能够有效避免不锈钢发生钝化，避免铬损失。而一旦材料使用不当，将会导致对流段炉管性能下降，使得炉管变硬、变脆，最后使得对流预热管发生高温脆化开裂。

四、炉管失效部位检测分析

（一）化学化学成分分析

通过在主裂纹的上下两侧位置各取一个测点进行炉管材料进行化学成分测量，结果显示失效部位的材料在化学成分上基本和SA312材料相同，仅仅是Ti成分含量稍低于SA312。

（二）金相检验

主要选取主裂纹中心、右端小裂纹区的样品进行金相检测。检测结果显示，炉管破裂部位的组织成分主要由奥氏体和碳化物组成，并且在结构障有着一定量的晶间空洞现象。主裂纹在扩展过程中主要是以穿晶的形式为主，而小裂纹的形成则主要是以沿晶的形式为主，再以穿晶的形式进行扩展，形成较多的细小裂纹。通过进一步的能谱分析显示，r23C6是延晶析出的碳化物主要成分，TiC则是奥氏体晶粒碳化物的主要成分。

（三）断口分析

1.宏观断口观察

在断口位置的主裂纹呈现为环向裂纹，从管外壁位置以阶梯状向内部扩展，并且在断口位置形成大量黑褐色产物。在主裂纹的中段张口最大位置与管壁呈垂直关系，表现出脆性开裂的特点。主裂纹也呈现出向两侧延伸的表状，接近管外壁的断口也是与管壁垂直。靠近内壁的端口则和管壁表面形成45°夹角，并表现出剪切撕裂的特点，在靠近主裂纹端部的剪切端口较宽。在宏观端口位置形成甲状裂纹延伸区域，并在下方位置形成明显的剪切变形区域。剪切变形使得管壁厚度变小，增加对流段炉管开裂的风险。

2.断口扫描电镜观察

采用电镜扫描的方式对主裂纹中段断口进行扫描，仍然无法看清断口腐蚀的断口细节。在外壁的主裂纹中段位置呈现沿晶断裂的形式，在内壁位置则多以穿晶断裂形式为主，并且在断口位置表现出明显的疲劳条纹特征。结合能谱分析观察发现，晶内物质成分主要为钛的碳化物TiC，晶界的主要成分为铬的碳化物 Cr23C6 ，并在奥氏体晶界中以点状、链状的形式析出。采用能谱仪进行断口覆盖腐蚀物成分分析，得出氯、钠、硫的含量分别为0.35%、1.76%、1.56%。 

综述可知，硫、钠、氯等元素及其化合物引发的应力腐蚀是导致加热炉失管破裂的主要诱因，并且在受到高温腐蚀环境影响，以及热应力波动的交互作用，呈现腐蚀疲劳的扩展形式。

五、结论

综述可知，乙烯裂解炉对流段炉管破裂失效有着较为典型的表现特征：①主裂纹形成与炉管表面，表现出脆性断裂裂纹的基本属性，在主裂纹两侧形成多源性的阶梯状裂纹；②主裂纹两侧小裂纹表现出沿晶开裂形式，大多以穿晶、混合晶的形式进行扩展形成多个分枝；③裂纹断口位置堆积大量含有硫、氯、钠等易诱发腐蚀的产物，并且高温烟气也会促进应力腐蚀开裂。④炉管材质也是影响开裂问题的重要因素。Ni、Cr元素含量在一定范围内的奥氏体不锈钢对于应力腐蚀开裂的敏感度较高。材料的抗腐蚀性以及晶间腐蚀能力会受到材料含碳量，及内部化学元素稳定性的影响。敏化状态，尤其是含碳量较高的材料有着较高的应力腐蚀开裂敏感性，并且会由穿晶转变为沿晶的形式，加剧应力腐蚀开裂。⑤应力因素。通过断口检验可以证明，炉管裂纹会受到应力波动的较大影响，尤其是在高温、腐蚀环境下产生的应力波动，会引起高温腐蚀疲劳，在短时间内导致炉管开裂。

参考文献：

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