常压炉对流段钉头管中失效原因分析检测方案(电镜部件)

炼 油 技术 与工程PETROLEUM REFINERY ENGINEERING2009年2月第39卷第2期 —45第2期叶有俊等.常压炉对流段钉头管失效原因分析 常压炉对流段钉头管失效原因分析 叶有俊 姜 勇 巩建鸣 南京工业大学机械与动力工程学院(江苏省南京市210009) 摘要：通过对失效的常压炉失效钉头管断口形貌腐蚀产物以及金相组织变化等方面的分析研究，发现钉头管的开裂泄漏是由于内壁的腐蚀造成了腐蚀凹坑，这些凹坑加剧了腐蚀，并造成腐蚀开裂。另外组织中珠光体球化导致的材质劣化，加速了裂纹的发展，最终造成钉头管提前开裂失效。 某炼油厂常压炉F2101对流段钉头管管壁出现大面积减薄并泄漏，迫使整个装置停产，给企业造成了很大的经济损失和安全隐患。该钉头管材质为 Cr5Mo，尺寸为 o152 mm×8mm。钉头管外部介质为高温烟气，服役温度500℃左右，管内是压力0.3 MPa 的过热蒸汽。该钉头管设计寿命20a，但是自1994年投人使用，仅10a就发生了泄漏失效。由于还有其他几台相同或类似设备仍在运行，为了预防再发生类似事故，对钉头管提前失效原因进行了分析。 1 宏观检查 从失效钉头管上取一段进行分析，所取失效钉头管宏观形态如图1。 图1钉头管宏观形态 Fig. 1 Macroscopic character of the tube 宏观观察发现钉头管上有两条环向裂纹，裂纹1较短，约30 mm；裂纹2却长达200 mm。以上两条裂纹均已经贯穿管壁，长裂纹中部管壁严重减薄，受泄漏的高温高压蒸汽的冲刷以及高温烟气中介质的腐蚀，泄漏点周围的管钉腐蚀严重， 有些管钉已经完全腐蚀掉了。严重的局部管壁减薄和管钉腐蚀，还由于泄漏出的过热蒸汽吸附钉头管外高温烟气中吸湿性极强的灰粉颗粒，形成含有颗粒的冲刷介质，加快冲刷速度。另外，钉头管外高温烟气中还含有大量的腐蚀性介质，这些腐蚀介质在水分作用下，腐蚀性增强，从而导致裂纹附近的管壁及管钉出现较为严重的冲刷腐蚀减薄。 将钉头管从裂纹处切开，根据裂纹尖端的走向以及裂纹从内壁向外壁扩展时形成的放射状特征，可以确定裂纹是由内壁启裂，向外壁扩展，如图2所示。 图2 裂纹宏观形貌 Fig.2Macroscopic morphology properties of cracks 由于钉头管内壁附着物较多，无法观察到内壁表面特征，因此对切取的试样内壁用砂纸进行打磨，打磨后可以清楚看到，试样内壁分布较多凹坑和小裂纹，裂纹均沿环向分布，与穿通管壁的两条裂纹方向一致，如图3所示。根据管内介质为过热蒸汽，又在高温下服役的情况，初步判断，凹坑以及裂纹的产生与高温和腐蚀有关1.2.。 ( 收稿日期：2008-09-18 ) ( 作者简介：叶有俊，硕士研究生，主要从事高温过程设备寿命 ) ( 预测及失效分析，E-mail：yel2youjun@163. com ) 图3 内壁凹坑及裂纹 Fig.3 Hollowness and cracks on inner wall 2 扫描电电(SEM)分析 取开裂的钉头管断面进行断口分析，发现试样断口表面堆积较厚的附着物，无法观察到断口断裂特征，用能谱仪(EDS)对腐蚀产物进行分析后，对试样进行超声波清洗，再进行电镜分析。腐蚀产物的EDS 分析结果如图4，纵坐标(Y轴)为收集到的光子强度，单位 kcnt，横坐标(X轴)为千电子伏特，单位keV。清洗后断口特征如图5所示。 图4 试样腐蚀产物 EDS分析 图4中EDS分析结果表明，腐蚀产物中含有O，Na，S， Ca，Cl 等元素，这些元素及其化合物会对钉头管造成一定程度的腐蚀，产生腐蚀凹坑(事实证明钉头管内壁确实出现了腐蚀凹坑)，一旦产生凹坑，会加剧腐蚀，在内压的作用下很快出现开裂并发生穿通裂纹，导致泄漏。为了进一步对 材料进行研究，随后对金相组织进行了分析。 图5是试样断口的 SEM 照片。可以看出，虽然经过清洗，但是由于试样断口附着物较厚，未能观察到明显的断裂特征，从低倍SEM 照片中看出裂纹扩展的方向，另外还观察到二次裂纹，如图5(B)，从裂纹的形态看，属于穿晶裂纹。 图5 断口扫描电镜(SEM)照片 Fig.5 Character of cross-section(SEM) 3 金相检验 沿着垂直断口的方向取金相分析试样，用各种不同目数的砂纸进行打磨，抛光，侵蚀前对试样中的裂纹进行观察，如图6。侵蚀后裂纹扩展形态如图7，金相组织如图8。 图6 腐蚀前内外壁情况 Fig.6 Character of the inner and outer wall before eroded 从图6(A)可以看出，内壁上已经产生很多深浅不一的裂纹，每条裂纹中都存在腐蚀产物，有些初生小裂纹中的腐蚀产物充满裂纹的缝隙，由于钉头管材料腐蚀后，其体积会增加，在裂纹中的腐蚀产物会因此而产生向外的扩张力，应力值随着腐蚀程度的加剧而增加，到一定程度后会导致裂纹被撑开而继续扩展。这些产生于内壁的裂纹具有腐蚀开裂的特征3.41。外壁上也有一定的腐蚀，见图6(B)，但是全部表现为均匀腐蚀的特征。 图7 腐蚀后裂纹扩展情况 Fig.77Expanding of crack after eroded 从图7可以看出，裂纹属于穿晶扩展，没有明显的取向倾向。 图8 金相组织形貌 Fig.8 Metallographicstructure of inner and outer wall Cr5Mo 钢组织在室温下正常的显微组织应为铁素体+珠光体，通常使用温度在650℃以下5。由图8可以看出，钉头管基本组织仍然保 持铁素体+珠光体，但是珠光体从内壁到外壁都出现了一定程度的球化161，珠光体组织中的片状渗碳体会转变为球状且渐渐地聚集长大，球化后会对其力学性能和耐热性能产生一定的影响。珠光体球化除了和服役时间有关外，还与服役温度有关。服役温度越高，球化速度越快，使用寿命越短。有研究表明工作温度每升高10℃，使用寿命几乎缩短一半。在较高温度下，一般选用比Cr5Mo 更耐高温的材料，如 Cr9Mo[8]。 4 结论与建议 (1)F2101常压炉对流段钉头管内壁在高温高压蒸汽及其含有的腐蚀介质作用下，首先出现腐蚀凹坑，随后由于腐蚀介质的局部浓缩，加剧腐蚀，导致腐蚀开裂。 (2)F2101常压炉钉头管长期在高温下服役(500℃，10a)，珠光体组织已经出现了一定程度的球化，导致其高温性能下降，这也成为失效的一个非常重要的原因。 (3)根据对钉头管开裂的分析，为了预防其他相同设备再次出现提前开裂失效，建议首先要严格控制蒸汽中的腐蚀性杂质的含量，以减缓腐蚀。另外，生产中一定要控制运行温度，避免超温运行，以防止出现加速劣化，导致提前失效。如果工艺条件无法实现以上要求，建议采用抗高温和抗腐蚀性能更好的 Cr9Mo管代替Cr5Mo 管，以保证设备的安全运行。 ( 参考文献 ) ( [1]詹士平.炉管腐蚀的起因与对策[J].化工设备与防腐蚀， 1999，15(4)：53-56. ) ( [2]黄永昌.金属腐蚀与防护原理[M].上海：上海交通大学出 版社，1989：35-38. ) ( [3]杨洲，李明君.浅析压力容器应力腐蚀及其控制措施[J].石 油化工设备，2007，36(增刊)：41-43. ) ( [4]谢育辉.加氢反应器和换热器高温腐蚀与对策[J].石油化 工腐蚀与防护，2003，20(4)：12-16. ) ( [5]潘家祯.压力容器材料适用手册[M].北京：化学工业出版 社，1999：593-594. ) ( [6]王印培，陈进，孙晓明，等.珠光体球化的分形研究[J].理 化检验-物理分册，2003，39(3)：129-132. ) ( [7]王海芳，王引真，石志强，等.低合金耐热钢的高温球化研究 [J].压力容器，2005，22(12)：12-16. ) ( [8]郑文龙，张清廉.炼制含硫原油设备选材[J].石油化工腐蚀 与防护，2001，18(6)：46-49. ) ( (编辑 漆 萍) ) Analysis of failure of stud tubes in convection section ofatmospheric furnace Ye Youjun， Jiang Yong， Gong Jianming College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing University of Technology(Nanjing 210009， Jiangsu， China ) Abstract： The failure of stud tube in atmospheric furnace is analyzed by fracture surface topography， cor-rosion product and metallographic analysis. The results demonstrate that the leakage of stud tube is due to thecorrosion pits on inner wall， which aggravate the corrosion and lead to corrosion cracking. In addition， thepearlite spheroidization lead to material degradation and acceleration of the crack propagation， resulting pre-mature stud tube failure. Key Words： atmospheric furnace， stud tube， spheroidization， corrosion 齐鲁石化研究院新型催化剂 LSH-02首次应用于硫回收装置 由齐鲁石化研究院开发的新型低温 Claus 硫回收装置尾气加氢催化剂 LSH-02， 目前在中国石化齐鲁分公司开始初次工业应用。此次应用对该催化剂的日后推广具有重要意义。该催化剂可满足加氢反应器入口温度为220℃的使用要求，较常规催化剂使用温度降低60℃以上，可有效提高硫回收装置操作稳定性，降低装置的能耗。早前在工业装置上进行的侧线试验表明，LSH-02催化剂完全满足工业装置对含硫化合物的排放要求。据课题组技术人员介绍，在新建硫回收装置上使用该新型催化剂，不仅可以大大简化工艺流程，而且可降低投资费用18%，可长长催化剂的使用寿命；如果在原有装置上使用该催化剂，可节约能耗3%左右，实现环保、节能的双重目标。 (杨金鹏摘自《石化行业信息》，2008年12期) 串联式千气密封技术在循环氢压缩机上运用 中国石化长岭分公司在在循环氢压缩机上采用串联式干气密封新技术代替传统的浮环密封。经运行表明，性能稳定可靠，易操作，从根本上杜绝了易燃、易爆和有毒的循环氢气向大气泄漏的可能，解决了长期困扰该机组因密封系统故障而停机的问题，取得了较好的经济效益，并有效地保障了蜡油加氢装置的安全平稳运行。 机组运行两年多来，各运行参数都在设计指标内，运行平稳，并相应减少了电、循环水、密封油、检维修等费用，经济效益显著。 (杨金鹏摘自《石化行业信息》，2008年12期) 日前，河南省新闻出版局发布文件表彰《炼油技术与工程》获得“河南省第一届自然科学期刊综合质量检测一级期刊”和“河南省第一届自然科学期刊二十佳期刊”。 《炼油技术与工程》是中国石化集团洛阳石油化工工程公司主办的技术类期刊，1971年在河南省宜阳县创刊。被广大读者誉为“山沟里飞出的金凤凰”。 2005年9月30日，国家新闻出版总署颁布《期刊出版管理规定》，对期刊实行分级管理，河南省新闻出版局负责本省期刊出版活动的监督管理工作。2007年9月河南省新闻出版局出台河南省科技期刊质量考核标准。2008年8月河南省新闻出版局组织有关专家组成评委会，对2007--2008年两年出版的全省自然科学期刊进行了第一次质量检测，评选出54家自然科学期刊为“河南省第一届自然科学期刊综合质量检测一级期刊”。在此基础上，经过民主推荐、评审委员投票，遴选出“河南省第一届自然科学期刊二十佳期刊”。 《炼油技术与工程》两榜均占。 ( (尹静 供稿) ) ◎China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net 通过对失效的常压炉失效钉头端口形貌、腐蚀产物以及金相组织变化等方面的分析研究，发现钉头管的开裂泄露是由于内壁的腐蚀造成了腐蚀凹坑，这些凹坑加剧了腐蚀，并造成腐蚀开裂。另外组织中珠光体球化导致的材质劣化，加速了裂纹的发展，最终造成钉头管提前开裂失效。