重催CO過(guò)熱器爐管失效分析

第27卷第6期腐蝕與防護Vol. 27 No 62006年6月corrosion & protectionJune 2006失效分析重催CO過(guò)熱器爐管失效分析劉鈞泉,熊文英,夏延燊21.華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程學(xué)院,廣州510640;2.中石化廣州分公司,廣州510726)摘要:材質(zhì)為1 CrlMov的重催CO高溫加熱爐管,在服役25000h后發(fā)生脹管破裂。采用電鏡、X射線(xiàn)、金相等測試技術(shù)對失效的原因進(jìn)行分析后,判斷本起失效的原因為長(cháng)時(shí)間低幅度超溫運行導致的蠕變開(kāi)裂關(guān)鍵詞:加熱爐;12 CrI Mov;失效分析;高溫蠕變中圖分類(lèi)號:TG172文獻標識碼:B文章編號:1005-748X(2006)06-0317-03FAILURE ANALYSIS OF SUPERHEATER TUBES IN CATALYTICREFORMING CARBON MONOOXIDELIU Jun-quan', XIONG Wen-ying, XIA Yan-shen(l. College of Industry Equipment and Control Engineering in South China University of Technology, Guangzhou 510640, China2. China Petroleum &. Chemical Corpration Guangzhou Branch, Guangzhou 510726,ChinaAbstract: The superheater tubes for catalytic reforming CO made of 12Crl MoV steel were broken after being usedfor 25000 hours. The reason of failure was analyzed by TEM,x-tallographical examination. It isconcluded that this failure was caused by creep and cracking at a relatively high temperature for a long time.1概況為30t/h,實(shí)際產(chǎn)蒸汽量為20t/h左右。該過(guò)熱器投入使用約2500h,已有多根管子先后破裂某石化公司的重催CO高溫過(guò)熱器爐管采用12Cr1MoV制造,管徑尺寸為38mm×4mm。加熱2檢測及結果器設備結構如圖1所示針對本起失效,采用宏觀(guān)形貌觀(guān)察、垢層能譜分過(guò)熱蒸汽高溫過(guò)熱器水包析、Ⅹ射線(xiàn)對垢層的物相分析、金相觀(guān)察以及常溫拉伸實(shí)驗測試方法對失效管件進(jìn)行檢測(1)宏觀(guān)形貌觀(guān)察失效管件鼓脹破口處的形>煙氣貌如圖2所示。管件沿軸向發(fā)生脹破,破口周?chē)鷦內パ趸瘜雍罂梢?jiàn)許多平行于軸向的未穿透的裂紋低溫過(guò)熱器形貌如老樹(shù)皮。破口邊緣粗糙、不平整。軸向裂紋和破口已經(jīng)長(cháng)銹。鼓脹處內表面膜層厚約為2mm,如圖3所示。對未脹破的管件的管徑及壁厚進(jìn)行測爐膛量,發(fā)現其管徑普遍脹大,除去內外膜層后余下金屬圖1重催CO加熱設備結構基材厚度約為2~3mm。圖中水包中的水經(jīng)過(guò)水加熱器加熱到約100C(2)垢層分析爐管外表面附有膜層,厚度約左右后,進(jìn)入低溫過(guò)熱器端加熱成飽和水蒸汽,然后為0.2mm。對外膜層進(jìn)行能譜分析,主要元素為經(jīng)過(guò)高溫過(guò)熱器使飽和蒸汽加熱為過(guò)熱蒸汽。爐膛鐵、中國煤化工甲、錳等元素溫度約為1077℃,高溫過(guò)熱器爐管內蒸汽溫度為CNMH〔密膜,這層垢膜堅硬而445℃,管內壓力為3.6MPa。出口端設計產(chǎn)蒸汽量脆厚度一般在1~2mm左右,有些部位厚度達到2.5mm,能譜分析這層物質(zhì)主要成分為鐵元素,X收稿日期:2005-08-08;修訂日期:2005-09-09射線(xiàn)衍射分析表明這層黑色膜的主要組成為FeO劉鈞泉等:重催CO過(guò)熱器爐管失效分析2形貌如老樹(shù)皮的外表面4管件脹破處附近顯微組織,杰圖3內表面垢層約2mm圖5管徑脹大的管件顯微組織和Fe3O機對管徑脹大但未破裂的兩管件(編號分別為1#和(3)材質(zhì)成分分析用直讀光譜對脹破管件的2)進(jìn)行拉伸實(shí)驗,結果見(jiàn)表2。表中同時(shí)給出正常成分進(jìn)行分析,并與GB5310標準值進(jìn)行比較,結果的12Cr1MⅤ材料在20C和550℃時(shí)的拉伸性見(jiàn)表能,GB5310-1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》規定的表1脹破管件主要成分管爐管沒(méi)有發(fā)生脹破失效,但其抗拉強度遠低于正項目(%下限值也列于表2以作比較。由實(shí)驗結果看出,盡常的12 CrlMov的強度,甚至低于規定的下限值破管件0.040.190.5990.270.06800影彩身25~0.15~表2拉伸實(shí)驗結果比較0.150.370.71.200.350.3抗拉強度屈服強度伸長(cháng)率項目MPa表1可見(jiàn),C、V元素顯著(zhù)低于標準值,其它主1#管件365255要元素在標準值范圍內。2#管件(4)顯微組織分析在脹破管件破口附近沿管20℃時(shí)的正常值徑方向切一剖面,觀(guān)察其顯微組織,結果見(jiàn)圖4。同550C時(shí)的正常值GB5310-1995規定的下限值470~640≥25521時(shí)對尚未脹破的管件切取試樣,同樣沿管徑方向切剖面進(jìn)行金相觀(guān)察,結果見(jiàn)圖53失效類(lèi)型和原因分析從圖中可以看出,脹破處附近的組織特征為晶粒大小不均,部分晶粒粗大,晶界較粗,珠光體區域本案例中多根爐管使用三年即發(fā)生破裂現象內碳化物已明顯分散,沿晶界析出并成小球體。球實(shí)際壽命低于設計壽命,屬提前失效現象。在溫度化等級為中度球化。未脹破管件的晶粒尚較均勻,和中國煤化工生爆管失效的類(lèi)型常但某些晶界較粗觀(guān)察到珠光體內的碳化物部分球有口CNMHG生破口,其宏觀(guān)形貌?；?其球化等級為輕度球化。為撕裂狀韌性口爆管口多呈喇叭狀2],邊緣鋒(5)拉伸實(shí)驗測試按照GHB228-1987《金屬利,破口壁減薄,有很大的塑性變形,這一類(lèi)型的失拉伸試驗方法》,在常溫下用CM-15504電子拉伸效是短期大幅度超溫的結果;另一類(lèi)失效是長(cháng)期處318劉鈞泉等:重催CO過(guò)熱器爐管失效分析于超溫幅度不大旳情況下運行,管材蠕變變形過(guò)量蒸氣使FeCr合金的髙溫氧化顯著(zhù)加速,內壁氧而導致爆裂,其破口具有蠕變開(kāi)裂的特征,本起失效化膜層不斷增厚。氧化膜的導熱系數僅為母材金屬宏觀(guān)形貌觀(guān)察到的多條平行于軸向的小裂紋伴隨—的十幾分之一,因此管子的傳熱性能惡化,盡管管內個(gè)邊緣粗糙的裂口,外表不平整呈老樹(shù)皮狀的形貌蒸汽溫度為445C,但由于管內壁有達2mm厚導熱屬于典型的過(guò)量蠕變變形失效_3性差的氧化層,管外壁的溫度完全可能超出原設計雖然各類(lèi)金屬材料在高溫和應力條件下服役的溫度,這就使加熱管蠕變速率增加,提前發(fā)生蠕變時(shí),或多或少會(huì )發(fā)生蠕變現象,但一般來(lái)說(shuō),當操作變形過(guò)量,在管內壓力作用下出現破管。溫度不超出設計溫度時(shí),這種蠕變變形速度十分緩4結論慢,總的蠕變量在材料的蠕變極限之內,其值是很小的。根據《工業(yè)金屬管道設計規范》(GB50316(1)本起提前失效屬于過(guò)量蠕變導致的開(kāi)裂失2000,設計溫度是按每工作1000,管道變形不超效。過(guò)0.01%的要求來(lái)選定的。換算為25000h,總變形(2)造成過(guò)量蠕變的原因是長(cháng)期低幅度超設計量應不超過(guò)0.25%。觀(guān)察失效的管件,變形量遠遠溫度運行導致材料珠光體球化,抗拉強度下降。超過(guò)此值。如此之大的蠕變量只有在操作溫度高于3)引起外管壁超溫的原因是管內壁在高溫水原設計溫度下才可能發(fā)生,所以失效的直接原因可蒸氣中氧化生成過(guò)厚的導熱不良的氧化層推斷為長(cháng)時(shí)間低幅度超設計溫度運行。圖4和圖5參考文獻:顯微圖支持這一推斷。爐管所用的12Cr1MoⅤ屬[1]李俊林,等.鍋爐用鋼及其焊接[M.黑龍江科學(xué)技術(shù)珠光體熱強鋼,適用于壁溫≤580C的受熱面管,其出版社,198供貨狀態(tài)的顯微組織應為鐵素體十片狀珠光體。而[2]王鳴,唐建輝,12CrMoⅤ過(guò)熱器管爆破失效分析破裂或尚未破裂的管子的顯微組織都觀(guān)察到球化的J].福建電力與電工,1999,19(3):58~59珠光體表明管件運行過(guò)程中長(cháng)時(shí)間受較高溫度作3]廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出用,從而有足夠能量使碳化物析岀聚集、長(cháng)大,逐漸版社,2003變?yōu)榍驙?材料的熱強性也隨珠光體球化增加而下[4]李祿臣,牛曉光,高寶林.12 CrlMov鋼不同球化級別降。表2的拉伸測試結果可進(jìn)一步證實(shí)上述的高溫性能及壽命[J].河北電力技術(shù),1997,16(7)40~4結論。[5]王正品,張路,等.電站用T22及與T91管高溫蒸汽至于造成長(cháng)時(shí)間低幅度超設計溫度運行的原因氧化的失效分析[J].鑄造技術(shù),2004,25(7):523顯然與內壁較厚的黑色氧化層有關(guān)。加熱管內的水(上接第298頁(yè))(5)在長(cháng)期使用后,溶液顯墨綠色,這時(shí)清洗效術(shù),1990,19(3):1~5果及速度都將受到影響,可以加入三分之一的新溶3胡正前,張文華.不銹鋼表面氧化皮的清除[J.表面液,繼續使用技術(shù),1997,26(5):20~21(6)使用后的廢液必須經(jīng)過(guò)處理后才能排放[4]諸震鳴.淺談不銹鋼磷酸處理法[J.電鍍與涂飾998,17(4):5否則將對周邊環(huán)境造成污染5]陶映初.鋼鐵材料酸洗化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,參考文獻[6]張火興,黎曉桃.冷凝管表面清洗劑的探討[J.上海1]王慶余.不銹鋼、耐熱合金鋼氧化皮的酸洗[J].電鍍有色金屬,2002,23(3):118與精飾,1987,9(6):42~44中國煤化工支常溫快速清洗液的研制2]吳庭祿,等.鋼鐵表面漆前處理現狀及發(fā)展趨勢[J]CNMHG