乙烯裂解炉LMPH管失效分析

丁 菊* 朱旭晨

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

乙烯裂解炉辐射段（LMPH）是管式裂解炉内进行高温裂解反应制取乙烯的主要设备，其特点是设备结构复杂，工况环境苛刻，炉管内部反应温度常期保持在820～840 ℃高温[1]。LMPH 炉管常发生渗碳、高温氧化、蠕变等腐蚀失效情况[2]，这制约了乙烯装置长周期安全运行。目前，裂解炉管常采用镍基耐热合金钢HP 型Cr25Ni35，Cr35Ni45 制造，运行介质为石脑油、轻烃，工作温度为800～1 000℃，工作压力为0.05 MPa。

1 LMPH管失效分析

1.1 宏观分析

当裂解炉出口温度为800 ℃以上时，长周期运行的炉管材料受到渗碳、氧化、变形等一系列腐蚀作用。炉管弯头处产生蠕变开裂，可知热疲劳开裂是其失效的主要原因。图1 是拆下后的LMPH 管，从图1 中可以看出LMPH 管产生了严重的腐蚀减薄现象。LPMH 管产生了纵向破裂，同时发生了腐蚀穿孔与大面积减薄现象。

图1 发生腐蚀减薄的LMPH管

图2 为发生腐蚀减薄的LMPH 管断口形态。由图2 中发生腐蚀减薄的LMPH 管断口形态可以看出，管内有大块的金属层脱落，在高温下金属受热后露出了黑色的金属体。由于温度达到了材料过热点，管道内壁局部熔融，蠕胀量小，因此出现了部分空洞，其外壁则形成了突起的金属瘤。管道断口上有密密麻麻的红褐色或黄色颗粒夹杂在金属体内部，红褐色颗粒疑似为高温下各种形态的氧化铁以及钙、铁离子化合物结合形成的铁垢，黄色颗粒疑似为硫化物。该处的腐蚀形式为局部腐蚀，腐蚀类型为高温下碳化、氧化、蠕变、热疲劳、结焦及硫化腐蚀。最终管道局部表面呈现溃烂状破坏，直至穿孔泄漏。

图2 发生腐蚀减薄的LMPH管断口形态

1.2 化学成分分析

炉管化学成分分析结果可见表1。由表1 可以看出，内壁黑色区域的Cr 含量最高，与管道外壁基本相同，腐蚀区的Cr 元素含量与基体Cr 元素含量基本相同。试样在1 100 ℃条件下的渗碳60 h 之后，Cr元素含量大大降低。腐蚀区存在少量的S，Cl 元素,与基体中的S，Cl 元素含量相比显著增加。同时，腐蚀区的C，O 含量比基体含量大幅增加，说明腐蚀区的材料碳化，氧化反应比较明显。

1.3 金相分析

图3 为炉管失效处的金相组织形貌。不同于原始的Cr25Ni35 炉管的骨架状或链状组织形态，奥氏体基体晶粒粗大，且具有大量的块状碳化物，黑色物质为碳化物和氧化物。在高温作用下的C 原子直接进入LMPH 管金属内部，并构成了富Cr 的Cr-C 化合物，同时在其他部位略夺Cr 致使贫Cr,造成材料强度不足，渗碳明显。

2 结果讨论及分析

2.1 温度因素

（1）炉管内壁结焦层较厚，造成引火面局部过热超温，背火面温度较低，热应力增大，加剧了炉管的变形程度，从而进一步加强了换热炉管的不均匀热应力作用。通过内壁表面光谱及能谱分析可知，内壁的黑色区和灰色区中Cr 的含量远大于基体和腐蚀区，且O 含量高，S 含量低，说明腐蚀是由Cr 氧化膜破坏造成的。

（2）运行温度短时停留在1 000 ～1 100 ℃，之后维持在800 ℃左右，LMPH 管持续发生起焦、结焦、脱焦等一系列反应，金属是催化介质，使得管内碳化物由断续形态连接为网状，并形成大量块状，晶界脆性增加，材料的机械性能劣化，强度大幅度降低。

（3）随着温度升高和时间延长，裂解炉管金属材料在应力作用下产生蠕变，金属机械性能改变使得材料断裂强度和中低温韧性下降，材料脆化、材质劣化，最终造成炉管破坏。

2.2 炉管渗碳

（1）Cr25Ni35Nb 中的Cr-C 化合物使得Cr 元素含量降低，在渗碳层中，Cr 离子含量降低为原先的28%。Cr 能够在合金表面形成致密的Cr2O3保护膜抑制进一步渗碳反应，使材料的渗碳能力进一步提高，因此Cr 对于材料的高温强度和抗渗碳性能的提高具有重要作用。在渗碳层基体上，Cr 的含量进一步降低，导致材质劣化严重[3-4]。

（2）经过长时间渗碳之后，Cr25Ni35Nb 材料表面出现了类似于凹坑的剥落区，甚至出现了腐蚀严重的渗碳层剥落区，该区域裸露出了材料基体，并持续发生渗碳反应。

3 结论

（1）LMPH 管的失效是由高温和炉管渗碳两大因素共同作用造成的。

（2）炉管长期在高温条件下服役，其管壁处出现富Cr 区，其他部分则出现贫Cr 区，当Cr25Ni35Nb钢内晶界呈贫Cr 之后，渗碳作用将会加剧，进一步造成腐蚀。需要对LMPH 管进行定期检测，尤其是力学性能和厚度的检测，避免被进一步腐蚀。

（3）局部热应力、高温蠕变、材质劣化会加剧渗碳作用，导致局部管壁表面金属层脱落，造成更加强烈的局部热应力作用。应当尽量保持炉膛内各区域温度均衡，避免较大的温差。