合成氨高溫變換爐過熱器出口彎管爆裂分析

劉德宇 中國特種設(shè)備檢測研究院

田 原 北京航空航天大學(xué)

王貴川 華北油田華麗綜合服務(wù)處

王建國 王寧輝 華北油田質(zhì)量安全環(huán)保處

合成氨高溫變換爐過熱器出口彎管爆裂分析

劉德宇 中國特種設(shè)備檢測研究院

田 原 北京航空航天大學(xué)

王貴川 華北油田華麗綜合服務(wù)處

王建國 王寧輝 華北油田質(zhì)量安全環(huán)保處

2012年某合成氨裝置高溫變換爐過熱器出口管彎管處發(fā)生爆管。本文對發(fā)生爆管的彎管失效試樣進(jìn)行了宏觀檢查、斷口分析、顯微組織觀察及掃描電鏡分析，探討了彎管爆管失效的原因。

該彎管材質(zhì)為P11，規(guī)格為φ457×16mm，與之緊鄰的出口直管材質(zhì)為15CrMo，規(guī)格為φ457×20mm，操作壓力3.68MPa，管內(nèi)介質(zhì)為蒸汽，設(shè)計(jì)溫度460℃，實(shí)際操作溫度440℃。

1 宏觀分析

彎管爆管段形貌如圖1（a)所示，斷口在彎管內(nèi)弧面沿軸向展開，爆口張開呈喇叭形，撕裂導(dǎo)致的變形很大；圖中3#處管壁向遠(yuǎn)離高溫變換爐過熱器的方向外掀；爆管內(nèi)壁有明顯銹蝕，內(nèi)表面凹凸不平，呈典型沖刷形貌，如圖1（b)，測量發(fā)現(xiàn)此處壁厚僅余2.56mm。

圖1 爆管段形貌

2 斷口分析

2.1 爆管斷口分析

對斷口觀察可見，2#位置附近的斷口為長約19.55mm的正斷口，其余均為撕裂狀剪切斷口，斷口截面與外壁呈45°夾角，斷口宏觀呈塑性斷裂形態(tài)。

分別在圖1（a）所示爆管斷口的1#、2#、4#位置取材料制備試樣，去除斷口表面的氧化產(chǎn)物。在掃描電鏡（型號JSM-5800）下觀察斷口形貌，如圖2(a)，(b)，(c)?？梢?#、2#斷口均呈現(xiàn)典型沿晶形貌，4#斷口呈韌窩形貌。結(jié)合宏觀結(jié)果可知，2#位置應(yīng)為爆管的起裂點(diǎn)，1#位置為沿晶斷裂口，表明彎管爆裂速度非常快[1]，導(dǎo)致隨后發(fā)生斷裂的斷口4#位置呈韌窩狀撕裂。觀察斷裂起源的2#位置未見明顯材料缺陷及加工缺陷。

圖2 斷口形貌

2.2 顯微組織分析

在圖1（a）所示爆管斷口的1#、2#、3#位置以及緊鄰高壓變換爐出口直管（5#）位置處取材料制備試樣，經(jīng)打磨和機(jī)械拋光處理后采用4%硝酸酒精溶液浸蝕15s，在金相顯微鏡（型號OLYMPUS BX51M）及掃描電鏡（型號JSM-5800）下進(jìn)行金相組織分析和斷口觀察，并對試樣組織進(jìn)行珠光體球化評級。

彎管處材質(zhì)為P11，供貨態(tài)組織應(yīng)為鐵素體+珠光體。由圖3可見，1#試樣基體組織為鐵素體+珠光體，沒有發(fā)生相變，珠光體區(qū)域完整，片層碳化物開始分散，趨于球化，晶界有少量碳化物，為2級球化[2]。在掃描電鏡下觀察可見晶界存在少量蠕變空洞和晶界楔形裂紋。金相組織觀察結(jié)果表明，彎管經(jīng)歷了較高溫度過程。

圖3 1#位置顯微組織

2#位置處組織發(fā)生明顯相變，出現(xiàn)細(xì)小顆粒狀析出物，為典型回火索氏體，組織細(xì)小，如圖4（a)、（b)，該形貌說明，2#位置經(jīng)歷了高于Ac1的高溫而發(fā)生固態(tài)相變。3#試樣內(nèi)壁晶粒顯著變形，縱橫比為1：5，且有明顯脫碳，如圖4（c)、(d）所示。結(jié)合宏觀內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象可知，在高溫燃?xì)鉀_刷下管壁發(fā)生塑性變形，且內(nèi)表面不斷氧化脫落而減薄。由圖4（e)可見，在3#芯部有點(diǎn)狀析出物，未見明顯珠光體形態(tài)，說明該部位在高溫下金相組織發(fā)生相變。

與彎管緊鄰直管（圖1（a）5#處）材質(zhì)為耐熱鋼15CrMo。由圖4（f）可見其金相組織為回火索氏體與未溶解的少量板條馬氏體。由于15CrMo蒸汽導(dǎo)管供貨態(tài)組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，表明該直管段發(fā)生固態(tài)相變，這是經(jīng)歷過較高超溫的結(jié)果。管道金相組織的嚴(yán)重改變必然導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生改變。

3 綜合分析

對斷口和試件的金相組織分析表明，由于操作失誤導(dǎo)致與彎管緊鄰的直管處經(jīng)歷超過1000℃的短時超溫過程。經(jīng)調(diào)查，用戶監(jiān)測結(jié)果及情況說明也證明了該高溫變換爐曾經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重超溫工況。

高溫變換爐出口直管段連接有一法蘭，該法蘭后為彎管，彎管處的金相組織觀察顯示，該處雖然沒有發(fā)生金相組織相變，但在變換爐超溫工況下，該彎管也必然經(jīng)歷較高溫度過程，且彎管內(nèi)弧面是彎管薄弱位置。

彎管爆管過程應(yīng)為，在高溫變換爐非正常工況下，過熱器管外加熱煙氣出現(xiàn)超溫并導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽溫度升高，彎管材料強(qiáng)度因溫度升高而降低，蒸汽壓力造成彎管內(nèi)弧面某個區(qū)域發(fā)生塑性變形，壁厚因此嚴(yán)重減薄，從而導(dǎo)致彎管過載開裂。初始斷口長約20mm，為典型的沿晶斷裂形貌，說明該位置發(fā)生快速開裂，是管道發(fā)生爆管的起始點(diǎn)。

高溫燃?xì)鈴脑摫芴幮孤┙佑|空氣后發(fā)生燃燒，火焰溫度使2#處經(jīng)歷高溫導(dǎo)致組織發(fā)生相變。爆口尺寸較小，且高溫變換爐過熱器管內(nèi)壓力極高，導(dǎo)致大量氣體在此處泄漏燃燒，同時引起爆口附近管道迅速由2#位置向兩邊撕開，大量高溫燃?xì)鈴闹惫車姵霾⒃诜ㄌm處（燃?xì)獬隹谔帲├^續(xù)燃燒。

火焰直接噴射到彎管的3#位置造成高溫及高速沖刷。3#位置的金屬金相組織觀察顯示，該位置發(fā)生了相變，晶粒被大幅拉長，證明該處是大量火焰噴射的中心位置，而爆管的1#位置距離火焰中心相對較遠(yuǎn)，沒有發(fā)生相變。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致該部位所受沖蝕嚴(yán)重，管壁減薄明顯，造成彎管強(qiáng)度下降，加之，該管道長時間在高溫環(huán)境下服役，且由于操作失誤，會造成短時超溫過程，溫度超過1000℃，導(dǎo)致材質(zhì)嚴(yán)重劣化，進(jìn)而在薄弱部位發(fā)生開裂，造成管內(nèi)介質(zhì)泄露，遇空氣發(fā)生燃燒，且管內(nèi)壓力較高，最終導(dǎo)致彎管爆裂。

4 結(jié)論

通過以上分析可得出如下結(jié)論：

1）高溫變換爐過熱器出口管道彎管爆裂的起始點(diǎn)在彎管內(nèi)弧面；

2）由于操作失誤，致使該管道短時間內(nèi)溫度急劇上升(達(dá)到1000℃以上)，且彎管處由于沖蝕導(dǎo)致管壁減薄，從而造成材料強(qiáng)度明顯下降，最終導(dǎo)致高溫過載斷裂；

3）變換爐一類設(shè)備應(yīng)注意避免超過設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行。

1 DL/T787－2001火力發(fā)電廠用15CrMo 鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)

2 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué).北京：高等教育出版社,2006

2013－07－02）