制氫轉(zhuǎn)化爐爐管損傷狀態(tài)分析

李振杰，徐豪杰

（1.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆獨(dú)山子 833699；2.獨(dú)山子石化公司煉油廠，新疆獨(dú)山子 833699）

0 引言

某石化企業(yè)8 萬(wàn)立方米制氫轉(zhuǎn)化爐因制氫裝置負(fù)荷波動(dòng)，爐管內(nèi)介質(zhì)偏流，爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻，造成爐管局部超溫，導(dǎo)致1根爐管泄漏著火。制氫轉(zhuǎn)化爐作為制氫裝置的核心設(shè)備，爐管失效不僅會(huì)對(duì)企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且影響裝置的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行?？紤]到爐管超溫以及泄漏著火引起的爐管局部過熱對(duì)爐管壽命的影響，沒有明顯破壞的爐管能否繼續(xù)安全使用是企業(yè)迫切需要解決的問題。因此，有必要對(duì)爐管的損傷程度以及安全性進(jìn)行全面的檢驗(yàn)與分析，掌握沒有明顯破壞的爐管的損傷情況，為轉(zhuǎn)化爐檢修提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)未來轉(zhuǎn)化爐的安全運(yùn)行具有重大意義。

1 制氫轉(zhuǎn)化爐情況

8 萬(wàn)方制氫轉(zhuǎn)化爐根據(jù)德西尼布（Technip）公司工藝包進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種頂燒式加熱爐，設(shè)計(jì)負(fù)荷50%～110%（圖1）。轉(zhuǎn)化爐管系包括上集合管、上分支管、豬尾管、轉(zhuǎn)化爐管、熱壁集合管及冷壁集合管，其中共有轉(zhuǎn)化爐管252 根，分六列垂直排列，每列42 根。爐管材料為25Cr35NiNb-MA，為離心鑄造，規(guī)格為ID110 mm×14.0 mm，L=12 930 mm，設(shè)計(jì)壽命為10 萬(wàn)小時(shí)，設(shè)計(jì)壓力3.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度960 ℃。

圖1 轉(zhuǎn)化爐管系

在投用2 年后的檢修期間，對(duì)爐管進(jìn)行了全面檢驗(yàn)，爐管整體狀況良好。轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行5 年后（4 萬(wàn)小時(shí)），轉(zhuǎn)化爐東側(cè)1-12#（即第1 列第12 根）爐管上部出現(xiàn)泄漏。經(jīng)停爐分析，確定爐管失效原因?yàn)橹茪溲b置長(zhǎng)期突破設(shè)計(jì)下限低負(fù)荷運(yùn)行，物料及燃燒器分配不均導(dǎo)致爐管局部超溫，爐管局部過熱時(shí)，引起蠕變速度加快、持久強(qiáng)度下降，最終開裂。轉(zhuǎn)化爐紅外溫度監(jiān)測(cè)記錄也表明失效爐管部位為整個(gè)轉(zhuǎn)化爐溫度最高區(qū)域。

使用單位緊急停爐后對(duì)失效的爐管進(jìn)行了堵管處理，并對(duì)其余未發(fā)現(xiàn)明顯破壞的爐管進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 爐管檢驗(yàn)

對(duì)沒有明顯破壞的251 根爐管進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，包括宏觀檢查、厚度檢測(cè)、蠕脹檢測(cè)、爬壁超聲檢測(cè)以及金相檢驗(yàn)等。

2.1 宏觀檢查

爐管宏觀檢查整體情況正常，未見有明顯彎曲變形或開裂，無明顯腐蝕痕跡，局部管段楊梅粒子脫落，部分管段表面呈暗紅色，存在輕微的高溫氧化現(xiàn)象（圖2）。

圖2 爐管宏觀形貌

2.2 厚度檢測(cè)

對(duì)爐管上部、中部、下部進(jìn)行厚度檢測(cè)，爐管的壁厚值介于14.22～15.85 mm，表明爐管未出現(xiàn)減薄現(xiàn)象。

2.3 蠕脹檢測(cè)

對(duì)爐管外徑進(jìn)行蠕脹檢測(cè)，爐管外徑設(shè)計(jì)值為Φ140.0 mm，此次檢測(cè)值為138.4～141.3 mm，與2011 年蠕脹檢測(cè)數(shù)據(jù)（138.0～140.6 mm）相比無明顯變化，表明爐管沒有明顯的蠕脹變形。

2.4 爬壁超聲檢測(cè)

爐管爬壁超聲檢測(cè)由某檢測(cè)公司完成，該檢測(cè)公司根據(jù)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)以及剖管分析的結(jié)果，結(jié)合美國(guó)Conam 公司、日本久保田等公司的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照損傷程度將爐管劃分為A、B、B+、C 四個(gè)級(jí)別：

（1）A 級(jí)爐管表示爐管質(zhì)量較好，具有良好的聲穿透性，無高溫蠕變裂紋，無材質(zhì)劣化，正常工況下可安全使用。

（2）B 級(jí)爐管已有一定的損傷，以材料劣化為主，一般徑向有效損傷長(zhǎng)度≤（δ 為爐管壁厚），正常工況下可安全使用。

（3）B+級(jí)管損傷比較嚴(yán)重，以材料劣化和微裂紋為主，一般徑向有效損傷長(zhǎng)度≤，正常工況下可安全使用一個(gè)周期。

（4）C 級(jí)爐管過熱區(qū)域明顯，損傷嚴(yán)重，主要內(nèi)部微裂紋和宏觀裂紋為主。一般徑向損傷長(zhǎng)度＞，須進(jìn)行更換。

每列爐管爬壁超聲檢測(cè)級(jí)別及對(duì)應(yīng)數(shù)量如表1 所示：

表1 爐管檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì) 根

通過爐管爬壁超聲檢測(cè)結(jié)果得知：①251 根爐管中，A 級(jí)管147根，B 級(jí)管104 根，無B+級(jí)和C 級(jí)爐管；②B 級(jí)爐管損傷部位主要集中在爐管中上部，損傷程度相比下部較嚴(yán)重；③位于泄漏爐管附近的1-14#和1-17#爐管，損傷最為嚴(yán)重，損傷程度接近B+級(jí)。

檢測(cè)結(jié)果表明，爐管材料出現(xiàn)了一定劣化損傷，但整體損傷程度并不嚴(yán)重，在正常工況下爐管可繼續(xù)安全使用一個(gè)周期。

2.5 金相檢驗(yàn)

為進(jìn)一步分析爐管材料的劣化損傷情況，選取超聲檢測(cè)分別為A 級(jí)和B 級(jí)的爐管以及損傷程度接近B+級(jí)的1-14#爐管進(jìn)行金相檢驗(yàn)（圖3～圖5）。觀察爐管微觀組織發(fā)現(xiàn)：

圖3 A 級(jí)爐管金相組織

圖4 B 級(jí)爐管金相組織

圖5 1-14#爐管金相組織

（1）A 級(jí)爐管基體一次碳化物沿晶呈網(wǎng)狀分布相連，有粗化跡象，在奧氏體基體析出二次碳化物且呈彌散分布。

（2）B 級(jí)爐管基體一次碳化物出現(xiàn)明顯粗化，細(xì)小的二次碳化物在奧氏體基體大量析出，呈彌散分布，部分聚集長(zhǎng)大，晶界邊緣有少量微觀孔洞。

（3）1-14#爐管損傷程度較嚴(yán)重，相比A 級(jí)管和B 級(jí)管有明顯更為粗化的一次碳化物，晶內(nèi)及一次碳化物周圍有大量彌散分布的二次碳化物，部分聚集長(zhǎng)大，碳化物密度明顯高于A 級(jí)管和B 級(jí)管，另外也可以觀察到晶界邊緣有少量微觀孔洞。

各級(jí)別的爐管材料微觀組織均為晶界粗化的一次碳化物以及晶內(nèi)大量彌散分布的二次碳化物，但隨著損傷程度增加，一次碳化物粗化程度明顯提高，二次碳化物數(shù)量及彌散分布程度也顯著增加，晶界上逐漸形成微觀孔洞。

25Cr35NiNb-MA 爐管為離心鑄造，原始鑄態(tài)組織為奧氏體基體加晶界骨架狀碳化物，該材料在高溫條件下的損傷特征為[1-2]：爐管經(jīng)高溫服役后，原始鑄態(tài)中的一次碳化物將發(fā)生粗化并向二次碳化物轉(zhuǎn)變，碳化物形態(tài)也由骨架狀向網(wǎng)鏈狀、塊狀轉(zhuǎn)變。同時(shí)晶內(nèi)會(huì)析出大量粒狀碳化物，在晶粒內(nèi)部呈彌散狀分布，部分聚集長(zhǎng)大成塊，最終一次晶界碳化物骨架狀形態(tài)基本上消失，晶界上形成微觀孔洞和裂紋，爐管失效。

在爐管損傷評(píng)價(jià)研究中，已有大量的研究成果將HP 系列爐管的蠕變損傷和組織損傷結(jié)合，綜合判斷爐管的損傷程度，將其與爐管剩余壽命聯(lián)系起來，并建立了具體的分級(jí)方法[3-4]。此次爐管金相檢驗(yàn)的結(jié)果表明，未破壞的爐管整體損傷級(jí)別處于前中期階段，爐管仍有一定的剩余壽命。

3 結(jié)論

（1）緊急停爐后對(duì)未被破壞的251 根制氫轉(zhuǎn)化爐爐管開展宏觀檢查、厚度檢測(cè)、蠕脹檢測(cè)、爬壁超聲檢測(cè)等。綜合檢驗(yàn)結(jié)果，尤其在爬壁超聲檢測(cè)及金相檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)爐管的損傷程度進(jìn)行分析，服役近4 萬(wàn)小時(shí)，爐管材料雖然出現(xiàn)一定程度的劣化，但是整體損傷程度處于損傷前中期階段，爐管可繼續(xù)使用一個(gè)周期。

（2）在轉(zhuǎn)化爐今后的運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)裝置平穩(wěn)操作，減少負(fù)荷波動(dòng)，避免超溫運(yùn)行，并且在今后的檢修中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)超聲檢測(cè)級(jí)別為B 級(jí)爐管的檢驗(yàn)。