SRT-Ⅳ型乙烯裂解爐管失效分析及處理措施
摘 要：簡介乙烯裂解爐管的結構及運行特點，爐管檢修情況，爐管壁溫和爐管滲碳情況，分析乙烯裂解爐管失效原因，簡介延長爐管壽命的處理措施。
關鍵詞：爐管 溫度 滲碳 裂紋
1．前言
某乙烯裂解裝置有5臺ABB Lummus Heat Transfer ，爐型為SRT-Ⅳ HS。每臺乙烯裂解爐輻射段的盤管共有4組爐管，每組有16根下降管2根上升管。下降管規格為φ54.2X5.5X12431mm，材質為HPM，材料加工方法為拉伸軋制；上升管規格為φ135X7.5X11392mm，材質為HP40+Nb，材料加工方法為離心鑄造，鈮含量為0.6-1.5%，設計使用溫度為1115℃，熔點為1350℃，使用壽命約為10萬小時。該乙烯裂解爐輻射段的爐管運行特點是：爐管內介質溫度高，在800℃以上，爐管外壁的溫度高達1110℃以上，操作壓力低于0.2MPa。該乙烯裂解爐1995年8月投產，1997年輻射段的爐管出現嚴重的表面氧化、彎曲、蠕變、蠕脹、鼓包等現象，上升管的情況較嚴重，以后多次出現裂紋噴火現象。在輻射段上升管的檢修過程中，發現爐管內壁出現很多裂紋，影響乙烯裝置的安全生產和經濟效益。
2．乙烯裂解爐管檢修統計
對乙烯裂解爐輻射段的爐管從1997年到1999年的檢修情況進行了統計，輻射段的爐管檢修情況統計見表1。
表1 爐管檢修情況統計
3．乙烯裂解爐管外壁溫度
裂解爐管外壁的溫度的測量采用儀器為MINTA TR-630，所測輻射段的爐管外壁的溫度都作了記錄。表2是在1997年乙烯裂解爐管外壁的測溫記錄中隨機抽出的，表2中“上”表示從裂解爐上部觀火孔位置測量的爐管溫度，“中”表示從中上部觀火孔測量的溫度，“下”表示從下部觀火孔測量的溫度。從表2可以看出，上升管比下降管的溫度高，爐管中部比上下部的溫度高，同一根爐管，爐管外壁的溫度不均勻，并且有超溫現象。
表2 裂解爐管外壁測溫記錄
4．乙烯裂解爐管滲碳檢驗
1998年5月，利用乙烯裂解裝置停工檢修期間，委托大連理工大學對乙烯裂解爐管進行了滲碳厚度檢測，在爐管的同一高度相隔180度各檢測一點，滲碳報告檢驗結果是以壁厚6mm的裂解爐管為標準,摘錄的檢驗數據見表3。
表3 乙烯裂解爐管滲碳層厚度檢測記錄
表3中所給數字的意義為：0表示未形成滲碳層；1表示滲碳層為1mm以下；2表示滲碳層為1-2mm以下；3表示滲碳層為2-3mm；4表示滲碳層為3-4mm；5表示滲碳層為4-5mm；6表示滲碳層為5-6mm（亦即包括滲透）。從表3中可以看出上升管滲碳嚴重，有些已滲透。
5．乙烯裂解爐管化學成分分析
對三種不同使用狀態的輻射段上升管，采用直讀光譜儀進行化學分析。第一種是全新的爐管，分組編號為LG-1；第二種是使用約兩萬小時，爐管的氧化不嚴重，爐管橢圓和彎曲變形不明顯，爐管內壁分組編號為LG-2-1、2，爐管外壁分組編號為LG-2-3、4；第三種是在爐管運行中已出現兩條環向裂紋，裂紋長度分別為60mm和110mm，橢圓度在11.5mm-18.1mm之間，爐管的兩個迎火面有大小不一的麻點或坑，分組編號為LG-3-1、2、3，爐管外壁的氧化嚴重，且有氧化皮脫落，編號為LG-3-4。三種不同使用狀態的輻射段上升爐管化學成分分析結果見表4。
表4 乙烯裂解上升管化學成分報告
注：直讀光譜儀所測含碳量上限為3.24%，爐管的碳含量大于3.24%時,其含碳量的具體數值只顯示3.24%。
由表4可以看出，爐管內壁的含碳量較爐管外壁的含碳量高；滲碳嚴重的爐管碳含量高于3.24%；Cr、Nb含量偏低；Ni含量偏高；S、P含量正常；Nb含量隨含碳量提高而降低。對滲碳爐管進行了機械性能試驗，其結果表明：滲碳爐管的抗拉強度和屈服強度明顯下降，滲碳爐管的延伸率下降。
6．乙烯裂解爐管失效原因分析
滲碳是指在高溫下碳原子由碳勢高的原料氣向爐管中擴散的現象。乙烯裂解爐管內介質主要有各種烷烴、烯烴、炔、氫氣、芳烴、焦油、H2O、CO、CO2等組成，各種烴類經過裂解后析出活性炭，活性炭將吸附在金屬表面上，經擴展進入金屬內部而產生深碳。
通過實驗看出，由于高溫滲碳和蠕變的作用，使得爐管的金相組織發生變化，隨著時間的延長，滲碳層厚度加深，滲碳層碳化物數量增加，使滲碳層的塑性降低，脆性增大，易于裂紋的產生；滲碳區內表面出現網狀裂紋，滲碳層內則呈現大小不一的裂紋，裂紋在滲碳層內沿晶界開裂和擴展；爐管處于高溫蠕變操作條件下，材料組織發生變化，并出現空洞，在滲碳層內，隨著空洞數量的增加和相連接，最終形成裂紋，而深碳層內原有裂紋油沿著空洞發展，加快了空洞變成裂紋的步伐；滲碳使得滲碳層密度減小，體積膨脹，對外層非滲碳層產生體積應力，惡化了外壁受力狀況，促進了爐管的斷裂；滲碳層的熱膨脹系數降低，使得外壁非滲碳層與內壁不一致而產生“膨脹應力”，增加爐管的內應力，利于裂紋的產生。
裂解爐管長期在高溫下運行，爐管內壁產生結焦，由于結焦層的傳熱系數、導熱系數均小于管材，當爐管內的結焦層較厚時，為了保證生產效率必然要提高爐管的外壁溫度，加劇了爐管的滲碳速率。在降溫時結焦層妨礙爐管的熱收縮，產生很大的拉應力，甚至使爐管產生裂紋而開裂損壞。
7．乙烯裂解爐管失效過程示意
裂解爐管失效過程示意：高溫下運行——>產生蠕變、彎曲、氧化、結焦、滲碳——>金相組織惡化、機械性能下降、應力增大——>晶界上有空洞、滲碳層產生微裂紋——>在應力的作用下形成裂紋——>在熱沖擊的作用下斷裂。
8．延長爐管壽命的處理措施
爐管在高溫狀態下運行，由于加工原料的性質的決定，長期運行的爐管滲碳是不可避免的。滲碳造成爐管材料的各種性能的降低和組織惡化，將低了爐管的使用壽命。爐管的失效主要與滲碳有關，而影響滲碳的主要因素是溫度；另一方面裂解爐管需要定期進行清焦，這樣爐管必須承受溫度波動和熱沖擊造成的疲勞作用，而滲碳后疲勞性能的下降影響了爐管的使用壽命，導致爐管的快速破壞。為了延長運行爐管的使用壽命，必須從兩方面考慮，一是如何才能避免或減緩爐管的各種損傷；二是對當前爐管損傷的形式和程度采取相應的措施，以盡量延長爐管的使用壽命。應采取以下措施：
8．1及時監控爐管表面溫度，保證爐管在1115℃以下運行，到達此溫度時及時調整操作。
8．2按設計要求分配加工量，避免裂解爐超負荷運行。
8．3加強巡檢，觀察燒嘴燃燒情況，發現火焰出現舔燒爐管和二次燃燒時，及時進行調整，保證火焰正確燃燒。
8．4裂解爐到達燒焦條件時，及時按裂解爐燒焦程序進行燒焦，保證燒焦徹底，防止爐管堵塞。
8．5改善爐管內表面狀態，在爐管進貨和安裝檢修時檢查內表面，杜絕使用內表面有麻點或組織疏松的爐管。
8．6如果發現裂解爐管出現裂縫和堵塞，及時進行處理。在對爐管進行檢修時要及時調整爐管的配重和導軌，防止爐管彎曲。