转化炉管失效分析

第32卷第4期辽宁石油化工大学学 报Vol. 32 No. 42012年12月JOURNAL OF LIAONING SHIHUA UNIVERSITYDec. 2012文章编号:1672 - 6952(2012)04 - 0060 - 04转化炉管失效分析梁艳，马超，姜文全(辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001)摘要:某厂转化炉炉管仅运行-段时间就发生开裂,造成经济损失,因此,有必要对失效炉管进行全面的分析。通过化学成分分析、宏观及微观显微组织分析、X射线衍射分析以及常温、高温力学性能分析等,对转化炉炉管进行失效分析。结果表明，炉管材料失效的主要原因是蠕变开裂,而超温是导致蠕变发生的直接原因，原设计的有效厚度不足是造成炉管爆裂先天性根本原因。关键词:转化炉炉管; 失效分析; 蠕3中图分类号: TG142文献标识码:Adoi:10. 3696/j. issn. 1672 - 6952. 2012. 04. 016Ailure Analysis of Reformer TubeLIANG Yan, MA Chao, JIANG Wen- quan(Liaoning Shihua University ,Fushun Liaoning 113001 ,P. R. China)Received 13 June 2012; revised 25 September 2012; accepted 20 Se ptember 2012Abstract: The reformer furnace tubes have cracked after operating for in a service period in one plant, which lead to mucheconomic losses. Therefore, it is necessary for us to carry on the over analysis of the reformer furnace tubes. The reformerfurnace tubes were analyzed by using chemical composition analysis, macro- and micro - microstructure analysis, roomtemperature, high temperature mechanical properties analysis in the paper. The results show that the reason of failure for thefurnace tube is the creep crack, and excess temperature is the direct reason for the creep crack. At the same time, the lack ofthe effect thickness in original design is the root cause of crack for the furnace tube.Key words: Reformer furnace tube; Failure analysis; CreepCorresponding author. Tel. :+86 - 24- 56865042; e- mail: liangyan19780701@ 126. com石化装置的工作条件苛刻,通常在高温、高压状如图1所示,在管中出现了纵向开裂。转化炉炉管态下工作,有的装置承受各种振动、冲刷、磨损,大多不仅在高温气体、氧化等环境下工作,而且受内压、数装置处理各种腐蚀性介质,每年由失效引起的损自重、度变化等因素的影响，开停工和操作不当都会:失是非常惊人的”。而转化炉是制氢装置的关键设造炉管损伤。本文从化学成分分析、宏及微观组织备[2],高合金炉管的镍铬质量分数达到45%~分 析、高温性能分析等方面对失效的炉管进行了全65%。炉管的投资很大,转化炉占全装置的1/4.面的分析和研究,找出失效原因,并给出了针对性的由于炉管的使用温度高、运行条件复杂苛刻[3-4],石意见，以保证安全生产。化装备失效分析及其预防是推动石油化学工业发展的一个重要手段,是提高石油化学工业装备质量和延长使用寿命的可靠途径[5-8]。因此,对转化炉管的开裂失效及其原因的研究有非常重要的意义。1转化炉炉管外观形貌某厂转化炉炉管在使用中发现两支炉管开裂，中国煤化工I YHCNMH G收稿日期:2012-06-13作者简介:梁艳(1978- ),女,辽宁沈阳市，副教授,博士。围1转化炉管 外观形貌第4期梁艳等. 转化炉管失效分析12实验结果及分析2.3炉管的显微结构分析2.1化学成分分析在炉管的上、中.下三个部位分别进行取样(主该厂转化炉管为久保田公司提供的要有炉管的外表面、内表面和下部开裂区裂纹尖KHR35CT,表1为转化炉炉管的化学成分分析。.端) ,分别用砂纸打磨并进行机械抛光,再用4%的化学成分分析结果基本符合久保田提供的硝酸酒精浸蚀,最后用金相显微镜进行观察、照相。KHR35CT的标准要求。但是,由于设计壁厚不足，上数第二段炉管的中部位置的显微组织如图3所应当在炉管生产时,将KHR35CT的含碳量取上限示。部分,以增加高温强度,来保证运行的安全。而该炉管采用下限含碳量,使这批炉管更容易出现裂纹。KHR35CT与国内外相似的一批材料是在Cr25 -Ni35加Nb进行微合金化的产品,这里还存在一些进一步探讨的问题。总之,从化学成分分析中,可以说明基本符合标准,但没能针对设计壁厚不足而采取选用含碳量上限。表1炉管化学成分质分数分析结果%150um化学成分KHR35C标准质量分数(a)显微组织C0.4~0.60. 451S≤1.50.695M≤2.00. 844.P≤0.030. 019 .s0.02524~2723. 530N33~3734. 770NI≤0.11. 07030 pm(b) A处放大≤0.50. 047图3, 上数第二段炉管的中部位置的显微组织及放大图2.2炉管宏观组织由图3可知:其组织特点有明显变化,共晶碳化开裂炉管的宏观组织如图2所示。图2中宏观物呈断续网链状,二次碳化物数量减少,颗粒开始长组织正常状态为外表面的柱状晶和内层的等轴晶组大且出现少量棒状碳化物,它是温度偏高的产物。成,其比例大小不影响使用寿命,也有百分百柱状晶KHR35CT的显微组织为奧氏体晶粒和在晶界的,检查的炉管柱状晶与等轴晶比例大约为4:6,上的共晶组织组成,共晶组织是由碳化物和奧氏体属于正常状态。形成。碳化物在铸态下为M,Cs型,而在使用后转化成M2sCs型。显微组织由原来的铸态组织,在使用过程中要发生转变,也称为时效。其中一次碳化物,也叫共晶碳化物,就是共晶体中的碳化物,除碳化物类型发生转变外,其外貌也发生改变,由原来的骨架状向断续骨架状,再向不连续网链状转变,接近熔化时,会出现大块状碳化物。二次碳化物在使用中，随温度的升高和时间的延长,奥氏体逐渐析出细小而分散的二次碳化物,温度低时则细小而分散,温度高时使其聚集长大，由细小变为大的块状组织。1 cm温度较高时,还中国煤化工碳化物。温度特别高时(接HCNMHG到分散的二图2转化炉炉管的宏观组织次碳化物。在温度和时间的影响因素中,温度是主要的,温度比时间的影响要大得多。第4期梁艳等. 转化炉管失效分析632.5寿命预测分析计算,则:已知原设计压力为P=4.4 MPa,炉管内径D;P = T(23+logt,)X10-3=132 mm,管壁设计温度为873 C,要求使用寿命=1 166(23+1g10*)X10-3为1X105 h. KHR35CT的L-M曲线如图6所=1.166X28=32. 648 MPa示。根据P值32.648所对应的应力为:o=30.5.MPa,所以4.4X 132=580.8=10.26mm平均断裂强度0一30.5X2-4.4 56.6壁厚为最小厚度,尚未考虑表面粗糙层厚度和镗孔等制造产生的壁厚偏差。设计中,粗糙层厚度为0.8 mm。内孔加工制造偏差选为0.5 mm,因.最小断裂强度(95%6低边界置信限)此,原设计的壁厚偏小。如果用KHR35CT的1X10°h平均断裂强度的80%进行计算,计算结果也.相同。3结束语2526272829303132334353637383940P/MPa显微组织分析结果表明,炉管显微组织超温过图6 KHR35CT 的蠕变断裂强度曲线根据钢制压力容器标准GB150- 1998,设计炉时效,炉管局部过热。这些原因说明,使用中局部超.温是造成炉管开裂的直接原因。炉管的化学成分中PI管壁厚δ=d_p°式中,P为内压,MPa;D、为炉的含碳量,没有有针对性地选用范围上限,则增加了管内径,mm;o为钢管所用材料在设计温度下的主爆炸的可能性。伴随着微裂纹的产生,逐渐导致了应力,MPa;φ为焊缝系数,无缝钢管φ=1.材料的高温蠕变断裂。炉管材料失效的主要原因是炉管设计温度为873 C,计算得到绝对温度为.蠕变开裂,而超温是导致蠕变发生的直接原因,原设1166 K。计的有效厚度不足是造成炉管爆裂先天性根本原在KHR35CT的L- M曲线下限,按1X10 h因。参考文献[1] 谭毂、赵杰.石化装置寿命预测与失效分析工程实例[M].北京:化学工业出版社,2007.[2] 阎高伦，王笃清，卿松.管式加热炉的维护和管理[J].中国设备工程,2003<4>:30 -31.[3] 赵振兴,刘凌,尹晔昕. 管式加炉工艺计算程序[J].化工装备技术,2009 ,30(3):54 - 55 ,58.[4] 李瑞秋.姜国平.管式加鹅炉炉管壁厚的设计计算[J].石油与化工设备.2010<3);13- 14,28.[5] 陈年金. 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命預测[D].杭州;浙江工业大学,2006.6] 孔祥军,陶思达。加热炉炉管的安全评定及剩余寿命预测[J].石油化工高等学校学报,2011 ,24<4):88 - 90 ,94. ,7] 鹿钦礼.刘德俊,马贵阳,等.注汽锅炉高含盐回用水引发爆管分析[J].辽宁石油化工大学学报,2010,30(2):19- 22.[8] 王敏.影响一段转化炉管使用寿命的原因分析及控制措施[J].化肥设计,2008,46(4):48- 49.(Ed. : ZW,CP)中国煤化工MYHCNMHG