乙烯裂解炉炉管失效形式及其原因分析研究进展*

金沛斌 沈利民

(中国矿业大学化工学院)

乙烯裂解炉炉管失效形式及其原因分析研究进展*

金沛斌**沈利民

(中国矿业大学化工学院)

总结了乙烯裂解炉炉管的失效形式，分析了炉管失效原因。发现乙烯裂解炉炉管失效形式主要表现为弯曲失效、穿孔失效和开裂失效，其失效原因通常表现为多种因素共同作用的结果。

乙烯裂解炉 炉管 失效形式 原因分析

乙烯裂解炉是乙烯生产中的关键设备，而其核心构件是乙烯裂解炉炉管。炉管不仅是乙烯裂解炉的换热件，同时又是裂解介质的反应区域。由于长期在高碳势、低氧压和高温的复杂环境下服役，乙烯裂解炉炉管常受到蠕变损伤、渗碳损伤、氧化损伤及弯曲变形等影响而提前失效。究其原因主要在于炉管管壁处在管内烃类渗碳、管内外高温氧化或硫化的环境，同时又承受内压、自重、热应力及定期检修开停车所引起的疲劳、热冲击等复杂作用的影响。因此在各种因素的共同作用下，炉管极易发生高温损伤、表面氧化、热应力开裂、鼓泡、化学腐蚀、冲刷磨损及蠕变等失效事故。为此，笔者总结了乙烯裂解炉炉管的3种主要失效形式，并对其失效原因进行了详细分析，最后对乙烯裂解炉炉管的现场运行提出了建议。

1 炉管变形失效

乙烯裂解炉炉管变形失效是其失效形式中较为常见的一种，变形失效的形式有膨胀、弯曲等类型，其中炉管因弯曲失效而导致更换炉管的情况占一半以上[1]。变形的炉管经常会过早的出现损伤，导致炉管不能正常工作，引起炉管变形失效的主要原因渗碳层和蠕变两个方面。

1.1渗碳层

渗碳层由炉管渗碳所产生，渗碳会导致炉管的变形失效[2～4]。在实际生产过程中，炉管变形失效的例子多不胜数。张礼敬等对服役3～7a的10根HP炉管进行解剖，发现炉管内外壁损伤严重，通过分析发现炉管渗碳现象严重并且渗碳层深度较大，且内壁损伤程度大于外壁；这些损伤沿着晶界扩展的，由于炉管的周向损伤不均匀，导致炉管变形也不均匀[5]，这一结果与文献[6]所模拟的结果相吻合。此外，郭宏伟和韩国祥对运行了5a的膨胀加热炉管进行了分析，发现其外貌呈现明显的膨胀和弯曲；取样并进行金相分析发现，胀管样品的横、纵向显微组织形态都是均匀铁素基体上分布着大颗粒的碳化物，且碳化物聚集长大并粗化，向着晶界聚集，最终造成炉管的膨胀变形[7]。

由上述文献可知，在正常工况下炉管渗碳是不可避免的。在发生渗碳现象后，炉管的渗碳层与非渗碳层的热膨胀系数是不同的，即渗碳层的热膨胀系数低于金属基体，渗碳层会随着时间的发展越来越厚，热膨胀系数也会随之越来越低，渗碳层与非渗碳层热膨胀系数的差异将恶化炉管的受力状况，从而导致炉管变形，直至出现裂纹。

1.2蠕变

因为炉管长期服役于高温环境下，所以炉管材料的蠕变也是不可避免的。炉管材料蠕变导致的炉管变形失效也是炉管常见的失效类型之一[8,9]。

在现场生产中，蔡瑞瑛等对某厂服役多年的W形炉管组中发生蠕变变形的炉管进行了失效分析，试验结果表明，弯矩会导致炉管蠕变弯曲变形，同时管材的选用也对变形具有一定影响[10]。在炉管性能研究中，安俊超等在900℃、不同的应力条件下对HP40合金的蠕变性能进行了研究，利用SEM+EDX对合金组织转变和相成分的变化进行了分析，发现应力的增加会加速管材的蠕变速率，且在长时间的蠕变试验后，原始组织中的骨架状共晶碳化物会逐渐变成条状和块状，这种变化导致了蠕变性能的下降，加速了蠕变变形的过程[11]。综合文献[10,11]的研究结果发现，微观组织变化会导致蠕变变形加速，而应力的存在使蠕变变形的过程变得更快。

1.3变形综合分析

在实际生产中，乙烯裂解炉炉管的变形往往是在渗碳、蠕变等多个因素的共同作用下引起的。李海英等对渗碳、蠕变共同作用下的乙烯裂解炉炉管损伤过程进行了模拟，结果表明，渗碳层的热膨胀系数与母材不同会引起渗碳部分体积膨胀，造成变形；同时，渗碳层与母材的热膨胀系数不同和温差会产生热应力；炉管还会发生蠕变，蠕变会导致渗碳应力和热应力得到松弛；此外，由于这些应力的存在，蠕变速率也会增加；当渗碳层随时间而不断增厚时，在渗碳、蠕变和热循环的共同作用下，管材内部会形成一个随时间变化的时变应力场，炉管在这个变化的应力场作用下会加速变形[12]。沈利民等利用Abaqus对1 050℃下受蠕变-渗碳耦合作用的Cr35Ni45Nb钢损伤发展过程进行了模拟分析[13]，结果表明，单一蠕变作用与蠕变-渗碳耦合作用对炉管造成的损伤是不同的，前者外壁先失效，后者内壁先失效，这表明在热应力存在的情况下，加速了炉管的蠕变速率。

综上所述，炉管的变形失效不是由单一的某种因素造成的。炉管的服役环境复杂而恶劣，渗碳层与母材的热膨胀系数不同会导致炉管的局部鼓胀；此外，蠕变导致了炉管的变形，而热应力、渗碳应力的存在，加速了炉管的蠕变变形速率。在多种因素的共同作用下，导致了炉管变形，造成了炉管的提前失效。

2 炉管结焦失效

乙烯裂解炉炉管的结焦失效是炉管众多失效形式中的一种。结焦的炉管不能正常运行服役，必须要停炉检修，这影响了乙烯裂解炉的正常运行。

2.1结焦对氧化膜的影响

炉管的结焦失效[14,15]，首先是炉管内部发生结焦，焦体对氧化膜的破坏较为严重，会导致其热传导系数下降，引起过热，导致Cr2O3氧化膜转化为CrxOy碳化物；其次，裂解原料中杂质(如硫)的存在会对氧化膜造成破坏，当氧化膜遭到破坏后会导致严重的渗碳，造成炉管组织不均匀、性能劣化，有时还会引起金属粉化(金属粉化机理)[16]，造成腐蚀穿孔，最终导致炉管失效。

刘刚等对实际生产过程中一段发生腐蚀穿孔失效的乙烯裂解炉炉管进行了失效分析，在检查过程中发现，其内壁有大面积的腐蚀孔洞，并且腐蚀的凹坑大小不一，通过宏观样貌分析、纤维组织分析和能谱分析认定，此次腐蚀失效为金属粉化损伤，此次腐蚀失效是因为在高温条件下，Cr氧化膜被破坏，并转化为Cr的碳化物，同时，裂解原料中的硫也对氧化膜造成破坏，进而导致了严重的渗碳，引起金属粉化[17]。宋若康等对Cr35-Ni45炉管服役过程中的结焦机理和组织特征进行了分析，试件取服役两年半的炉管，通过XRD、扫描电镜及电子探针等手段进行了分析研究，结果表明，引起炉管失效的原因为结焦的焦体(丝状焦和球状焦油滴)对氧化膜造成了较大的破坏，导致了严重的渗碳，造成了炉管的组织性能严重下降；其中，炉管的内壁最外侧有少量M3C2，渗碳区富铬M7C3，心部基体M23C6，这主要是由不同区域的铬、碳浓度不同造成的[18]。宋若康等对这一现象在文献[19]中进行了更为详细的分析解读，发现结焦导致的渗碳和碳化物十分粗大，使组织变得不均匀，破坏了晶界的连续性，进而导致炉管强度和塑性下降。这个结论与文献[20]中对Cr35-Ni45合金性能分析所得到的结论相同。

2.2结焦对热传导率的影响

结焦层的存在会导致炉管的传热性能下降，通常采用升温的方式来保证管内温度，这种方式可能会导致炉管因高温而使其强度过低进而造成炉管的迅速破断，也会造成炉管失效。

沈利民等就结焦对HP40Nb炉管传热与机械性能的影响进行了研究，利用有限元分析软件Abaqus开发了顺次耦合的热应力程序，并对已存在结焦层的HP40Nb型炉管在开车过程中的温度场和应力场分布情况进行了分析模拟，结果表明，随着结焦层的增加传热性能下降，焦体导致炉管失效的原因是结焦导致炉管的传热性能下降，而正常的升温不能保证管内物料的裂解温度[21]。为了解决这个问题，通常采用管外加热升温的方式，但会因超温导致炉管强度过低而发生破断。此结论与文献[22]中关于结焦对炉管的影响研究相符。

2.3结焦综合分析

结焦所导致的炉管提前失效并不是完全直接由结焦引起的，而是在多种因素的共同作用下造成的。李处森和杨院生对金属材料在高温碳气氛中的结焦与渗碳行为进行了研究，阐述了结焦与渗碳的关系，他们认为，理论上结焦与渗碳可以单独发生，但在实际工况中，结焦与渗碳往往是同时发生的，且相互联系、相互制约；结焦会促进渗碳，催化结焦也是一种微观的渗碳行为；所以，多种因素相互联系、制约，在共同作用下导致了炉管的结焦失效[23]。

综上所述，焦体对于炉管的性能影响十分重大，无论是由于氧化膜破坏所导致的渗碳，还是由于焦体热传导率太低导致的管外火焰升温加热，这些负面影响都会导致炉管的提前失效。在实际生产过程中，为了减少结焦的影响，通常采用停车清焦的方式，但是开停车的急冷急热所产生的热冲击也有可能会导致炉管的报废失效。

3 炉管开裂失效

开裂失效是指乙烯裂解炉在运行过程中，炉管出现开裂裂纹的现象。开裂的炉管会发生泄漏，不能继续服役，需要停车更换，停车会导致生产中断，造成经济损失。炉管的开裂部位主要分为非焊缝区开裂和焊缝区开裂。

3.1非焊缝区开裂

由于炉管长期处于高碳势、低氧压的工作环境下，因此炉管的材料极易受到严重的损伤从而导致管材微观组织的恶化，产生大量孔洞，降低材料性能，导致脆性的增加。杨国安等对国产乙烯裂解炉炉管弯头开裂的原因进行了分析，将弯头剖开后发现，内壁有许多裂纹，部分裂纹已经穿透；在对试样进行渗碳分析和金相分析后发现，炉管弯头开裂的原因在于渗碳、氧化和热应力的影响；再者，因为开裂位置为炉管弯头，所以气体的冲刷减薄也是不可忽略的因素，它加速了炉管的开裂[24]。王立坤等也对热电厂开裂的炉管进行了失效分析，发现炉管的开裂位置位于炉管的弯曲部分，且开裂的区域有明显的胀粗现象；通过化学成分分析、力学性能试验及金相分析等手段得到：炉管开裂的主要原因是由于长期的高温服役，导致炉管发生了蠕变，进而导致炉管力学性能下降，最终造成炉管开裂[25]。

根据上述文献可以得知，炉管的失效一方面是由于炉管发生了蠕变[26～28]，而对于服役的炉管来说，蠕变是不可避免的，随着服役时间的增长，碳化物会在晶界上析出，虽然当晶界上有细小碳化物析出时，会增加高温持久强度，但是随着时间的持续增长，碳化物聚集、长大、粗化后，相对于细小的碳化物来说它们对晶界强化效果较弱，导致晶界抗蠕变能力下降，蠕变裂纹的产生过程是：首先生成微小孔洞，这些孔洞是在碳化物和其一相邻的界面上形成的，然后它会逐渐向另外一侧的界面和奥氏体晶粒直接接触的界面发展并且长大，所以，相邻的小孔洞会逐渐靠近并最终连接在一起形成微裂纹，裂纹会进一步与前方的孔洞合并而得到扩展，最终导致破断[29～31]；另一方面是由于热应力的产生[32,33]，虽然目前使用的炉管拥有较强的抗渗碳能力，但在服役环境中，渗碳是不可避免的，渗碳不仅会降低材料的强度和韧性，还会导致炉管在厚度方向上各项物理性能的不均匀，同样，炉管的结焦也是不可避免的，因为渗碳层与结焦层的传热性能较差，内外壁存在较大温差，在此温度梯度的影响下，会产生较大的热应力，同时由于蠕变的存在，随着服役时间的增加，渗碳层与结焦层变厚，将产生时变应力场，使炉管易发生开裂，加速炉管的失效[34,35]。综合上述因素，再加上恶劣的实际使用工况，乙烯裂解炉炉管经常达不到使用寿命就提前失效。

3.2焊缝区开裂

对于焊缝区开裂来说，除了上述开裂因素外，还有焊接工艺的影响[36～38]。

路宝玺等探讨了电子束焊对乙烯裂解炉炉管的影响[39]，通过金相分析、SEM等方法对焊缝开裂处进行了失效分析，发现在垂直于焊缝中心处存在柱状晶组织(在电子束焊过程中形成的)，加之铌元素在焊缝中心线附近的缺乏，造成碳化物的析出，导致这部分区域脆化[40]，是产生裂纹的主要原因。姜勇等对乙烯裂解炉对流段盘管的焊接接头开裂原因进行了探究，从断口的宏观样貌、材料、电镜形貌及微观组织等多个方面对开裂原因进行了分析，发现焊接热影响区发生敏化从而导致炉管的抗腐蚀性能下降，在碱、氯离子的作用下发生了腐蚀，同时由于焊接残余应力的存在，在三者的共同作用下，炉管发生了应力腐蚀开裂[41]。巩建鸣等利用Abaqus模拟了焊接对HK高温炉管蠕变损伤与断裂的影响，同时对服役10a的HP炉管进行了金相剖析，模拟结果与实际结论相吻合，证明了焊缝是炉管长期服役过程中最薄弱的环节之一，同时表明了有限元模拟方法可以对高温炉管的寿命进行预测[42]。

炉管在蠕变、渗碳及热应力等多种因素共同作用下容易发生开裂，尤其在焊缝部位，因为焊缝区域的蠕变损伤累积相对于母材来说更加不均匀并且呈现局部化，焊缝区的损伤要大于母材的损伤，所以焊缝部位往往提前于母材发生开裂失效。

3.3开裂综合分析

综上所述，炉管的开裂失效是由多种因素共同作用导致的。无论是焊缝区开裂，还是非焊缝区开裂，失效的原因都是以结焦、渗碳和蠕变为主导的。

焊缝区与非焊缝区失效的共同点在于，结焦层的存在会对氧化膜造成破坏，促进渗碳的发生，炉管渗碳会导致炉管的机械性能劣化，如抗蠕变性能降低，而且由于渗碳层的热膨胀系数与母材不同，还会产生热应力，在热应力的作用下，会使蠕变速率增加，加速炉管的开裂失效。不同的是，对于焊缝区来说，由于焊接工艺的影响，焊缝区的材料性能本就劣于母材，再加上由于焊接残余应力的存在，加速了裂纹的扩展，这就导致了焊缝区先于非焊缝区发生失效。

4 结束语

乙烯裂解炉炉管失效的表现形式是多种多样的，导致炉管失效的原因也是多种多样。从管内、管外到焊缝，从操作条件到管内介质，乙烯裂解炉在生产、使用及维护等过程中的环境因素，高温影响、开停车的影响、运行中的磨损及介质问题(腐蚀性气体、液体、腐蚀介质)等因素，都可能引起炉管的失效。这些因素可能在短时间内不会影响乙烯裂解装置的使用，但是当这些或主导因素或诱导因素长期作用在装置上时，必然会导致乙烯裂解炉发生失效。所以，乙烯裂解炉从设计、使用、维护方面，都需要认真对待、时刻关注，以保障裂解装置的安全生产和正常运行。

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AnalysisofFailureCausesandTypesofEthyleneCrackingFurnaceTubes

JIN Pei-bin, SHEN Li-min

(SchoolofChemicalEngineering&Technology,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Both tube failure types and causes of ethylene cracking furnace was summarized to show that the bending deformation, perforation damage and cracking damage characterize this failure types and the action of multiple factors incurs it.

ethylene cracking furnace, furnace tubes, failure types, analysis of causes

*国家自然科学基金项目(51305440)，中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013QNA15)，江苏省科技支撑计划项目(BE2013038)。

**金沛斌，男，1990年12月生，硕士研究生。江苏省徐州市，221116。

TQ054

A

0254-6094(2016)03-0263-06

2016-01-18)