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裂解炉辐射段炉管失效分析
作者：晋圣发
来源：《中国科技纵横》2014年第10期
【摘 要】 高温合金ZGCr25Ni35Nb常用作裂解炉辐射段炉管的标准材料。某装置在停车检修时，在裂解炉辐射段的炉管上发现了相似形貌的周向裂纹。采用宏观断口检查、化学成分分析、金相分析、能谱分析、扫描电镜分析等手段对炉管开裂原因进行分析。结果表明：导致炉管开裂的主要原因是蠕变、渗碳。
【关键词】 裂解炉 辐射盘管 裂纹 蠕变 渗碳
乙烯裂解炉辐射段长期在高温环境下服役，作为乙烯装置的核心设备[1]，其辐射段炉管早期失效对炉子的安全可靠运行造成了负面影响。离心铸造的高Ni高Cr耐热合金广泛用作乙烯裂解炉炉管材料，其使用温度范围一般在900-1150℃[2]，国外同类炉管实际使用寿命可以达到8年以上的使用时间，而某装置的炉管在使用仅为3-5年时，意外失效现象屡有发生，严重影响了装置长周期满负荷运行[3]。本文以某厂刚使用4年就已失效的辐射段炉管为样品，采用多种测试手段综合分析，据此作为实例研究炉管未能达到设计使用寿命的原因。 1 试验过程与结果 1.1 外观检查
经宏观分析发现，断口上裂纹扩展显示为断续的链接裂纹且外壁的开口度大于内口，断口未发生塑性变形且具有明显的强氧化颜色[4]。颜色较深的则是实际端口，呈星星点点分布的白色区域的新鲜断口是取样分析时扳断的痕迹，这是高温蠕变断裂的典型形貌。见图1-3。 1.2 材料化学成份分析
炉管的材料为ZGCr25Ni35Nb，光谱检测结果见表1，服役后的炉管材料化学成分除碳含量偏高以外，其余的元素成分均合格，且内管壁含碳量明显高于外管壁，渗碳较为明显，由于渗碳和热应力影响，可能会导致炉管会过早损伤。 1.3 金相分析
（1）内外管壁都出现了碳损伤，碳损伤厚度达到632μm见图4-5。 （2）炉管材料存在高温蠕变孔洞及蠕变损伤显微裂，见图6-7 （3）第二相的聚集和开裂。
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第二相集聚到晶界以及近外管壁发现第二相破碎，见图8-9 1.4 X-Ray能谱分析（EDX）
通过能谱分析，可以清晰地看出，和奥氏体基体相比，第二相已发生氧化，且第二相中也没有发现碳元素。因此可确认蠕变过程中一定发生了氧化和第二相的分解。以Cr为主要元素的强化相在800℃以上开始分解、粗化，但以碳化铌为主要的强化相则要到1100℃以上时才会迅速分解（氧化成五氧化铌）并粗化。据此推断，裂解炉炉管曾经长时间在1100℃以上运行，造成碳化物分解。非碳化物的第二相应该是属于金属间化合物，这些化合物通常较脆，难以温度急变引起的热应力冲击。见图10-12。 1.5 扫描电镜分析
断口的扫描电镜分析证实了上述的分析，高温蠕变裂纹。断裂完全沿柱晶结合面发展，是完全的沿晶扩展的裂纹[5]（见图13），以及由蠕变孔洞链接成串，这是典型的高温蠕变损伤裂纹之断口（见图14）。 2 分析结论
（1）链接裂纹、蠕变孔洞都清晰地地显示，此裂纹的产生主要是由高温蠕变所引起。2）碳损伤、碳化物第二相的分解、碳化物的碎裂及在境界聚集。裂纹应该先产生于晶粒子边界及晶粒边界的结合点[6]，在热应力的所用下，造成裂纹分解和扩展。（3）碳损伤和高温蠕变的共同作用是导致裂纹产生的主要原因。 3 建议
（1）严格控制炉壁温不能超温，尤其严防火焰舔管。（2）在已服役炉管修复补焊时建议机加工去除至少0.7mm 以上，消除碳损伤存，并在修复焊接的前后注意焊前预热和焊后保温，降低焊后收缩应力，减少焊后开裂的风险。 参考文献：
[1]何细藕.烃类蒸气裂解原理与工业实践 （一） [J].乙烯工业，2008，20（3）：49-55. [2]Branzaa， Deschaus-Beaumeb F，Sirrab G，et al. Study and Prevention of Cracking during Weld-repair of Heat-resistant Cast Steels[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209：536-547.
[2]Chen Tao，Chen Xuedong，Lu Yunrong，etc. Influence of Grain Shape on Stress Life Centrifugal Casting 25Cr35Ni-Alloy Tubes[C]// Proceeding of ICPVT-13，20-23，May，2012 London， UK.
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[3]郑显伟.我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况.压力容器[J]，2013，5：49. [4]吴望周.化工设备断裂失效分析基础[S].1991：223-225.
[5]张敬礼，涂善东，颜世华.乙烯裂解炉炉管渗碳损伤分析.机械工程材料[J]，2008，9：77.
[6]Charlie R.Brooks，Ashok Chondhury， Failure Analysis of Engineering Materials[s]2002：164.