制氢转化炉猪尾管开裂失效分析

张于宝，郭绍强

(中国石化荆门分公司，湖北荆门 448039)

1 开裂失效概况

某公司制氢装置1970年建成投产，设计产氢3×104m3/h，主要原料为重整拔头油及焦化干气。两台转化炉一开一备，采用侧烧式结构，共五段，每段16根炉管，操作压力1.5 MPa，操作温度750～810℃，猪尾管管外包覆40 mm硅酸铝保温。2008年8月制氢装置对1#炉下猪尾管进行了材质升级，猪尾管材质升级为Incoloy800，规格φ32 mm×4 mm。2017年5月装置检修后开工时，转化炉出口集合管处泄漏着火，导致装置停工退料，检查发现炉出口单根猪尾管存在纵向裂纹，经计算，猪尾管更换后已累计运行42 912 h，在此期间，因生产原因及装置检修，该转化炉多次开停工。

2 宏观分析

在猪尾管内部存在大量的纵向延伸，近似平行的裂纹，裂纹深度不一，多为100～500 μm，较深的近1 mm，见图1。

图1 管束内表面纵向裂纹形貌

另外还在靠近集合管约10 cm的位置，发现一长约27 mm，深约1 mm的裂纹，见图2。

图2 管束外表面纵向裂纹形貌

本次为开展实验室分析截取的样本为含有内外纵向裂纹的管段，见图2和图3。

管束外侧呈黑灰色，外侧纵向裂纹距离焊缝约8.5 mm，裂纹长度约27 mm，裂纹中间略宽，两段较窄，管束轻微弯曲，在纵向裂纹位置有轻微鼓胀(图3(a))，管束内侧覆盖一层灰白色垢物，可见很多纵向延伸裂纹(图1)，为了进一步观测裂纹沿壁厚方向的扩展深度，对其横截面进行了镶嵌和磨抛，发现外表面裂纹在沿径扩展约1 mm后改变了扩展方向(图3(b))，其内表面密布深浅不一的裂纹(图3(c))。

3 成分分析

对失效猪尾管进行成分分析检测，检测结果如表1。

图3 管束内外宏观形貌

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结果显示，与ASTM B407技术要求相比，管束成分Cr含量略低，S含量略高。

4 金相组织分析

金相显微镜下进行金相组织及夹杂物检查。夹杂物评级(比较法)A0.5，B0.5，C0.5，D2.5。

管束组织为奥氏体组织，晶粒度约为6级(图4)，在管束内侧和外侧均存在裂纹，在内外表面，侵蚀前已经可见明显的晶界，有些晶界处已产生微裂纹或孔洞，部分区域晶粒间已填满腐蚀产物，裂纹沿晶粒界面向管外壁扩展(图5(a))。

横截面靠近外表面侧同样存在未侵蚀就显现晶界区域，但与靠近内表面侧相比其外表面侧向内侧扩展的裂纹少，但其主裂纹两侧存在较多的孔洞和微裂纹(图5(b))。

图4 管束横截面金相组织

图5 管横截面裂纹形貌

5 显微硬度测试

横截面上从内表面到外表面进行显微硬度测量，结果见表2，结果显示，靠近表面硬度有所降低。

表2 显微硬度测量结果

6 断口SEM及EDX分析

在扫描电镜下进行表面观察及电子能谱分析，结果显示外表面主要元素组成有：O，Fe，Ni，Cr，Al，Ca等，还发现存在少量的S，Cl等。内表面主要元素组成有：O，Cr，Fe，Ni，Al等。

外表面裂纹宽度约100 μm,内表面裂纹众多，且大体相互平行分布。从截面上看，内壁裂纹由内壁沿径向向外壁扩展，局部区域内晶界有析出物和腐蚀产物，有些还出现了微孔洞，裂纹的扩展基本沿晶界进行(图6)。

图6 横截面靠近内表面侧形貌

外壁情况与内壁类似，靠近外壁处的晶粒晶界显现，出现析出物和较多的孔洞。在裂纹改变方向的区域还出现了多条二次裂纹。靠近外表面部分与靠近内表面部分相比，其晶粒间的裂纹和孔洞更多，析出物相对少一些(图7)。

图7 横截面靠近外表面侧形貌

7 原因分析

送检的失效管段为纵向裂纹段，宏观上看管段存在一定弧度，且外表面裂纹处存在轻微鼓胀，表明管束在使用运行过程中发生了轻微形变。从内外表面裂纹观察及横截面观察发现，靠近表面处存在大量析出相、微裂纹或微孔洞，猪尾管操作温度在750～810 ℃，长期处于>0.4Tm的高温下[1]，易发生碳化物析出以及出现蠕变裂纹和孔洞。晶界未侵蚀时已经显现，EDX分析显示沿晶界附近氧含量和Cr含量比较高[2]。这是由于碳化物沿晶界析出，弱化晶界，而且导致晶界附近出现贫铬，局部耐腐蚀性能下降，导致发生沿晶界的腐蚀。腐蚀以及高温蠕变协同作用，导致局部产生微裂纹和孔洞，裂纹和孔洞的扩展和相互连接，形成了宏观尺度的裂纹。材料夹杂物含量比较多，且晶内存在较多的长方形沉淀相，也促进了裂纹和孔洞的形核。

材料合金成分与ASTM B407技术要求相比，管束成分Cr含量略低，S含量略高，总体偏差较小，考虑到测试的误差以及标准允许的偏差，合金成分不是发生失效的主要原因。由于晶界的析出相及裂纹导致了材料性能下降，内外表面的硬度也有所降低。

8 结论及建议

猪尾管纵向裂纹是由于晶界的析出相弱化了晶界，在高温蠕变、腐蚀的协同作用下产生裂纹。

针对此猪尾管开裂的原因，建议采取如下措施：平稳操作，减少温度波动，严防超温；有条件时，可考虑更换为Incoloy 800HT；开展应力计算和结构优化，降低猪尾管工作应力。

[1] 于永泗，徐成裕. Incoloy800H 猪尾管脆化原因分析[J].石油化工设备， 1998，27( 4): 26-28.

[2] 张忠政.高温高压临氢环境下不锈钢炉管的损伤与断裂[D]. 南京：南京工业大学，2005.