SRT-Ⅳ型乙烯裂解炉管失效分析及处理措施
摘 要：简介乙烯裂解炉管的结构及运行特点，炉管检修情况，炉管壁温和炉管渗碳情况，分析乙烯裂解炉管失效原因，简介延长炉管寿命的处理措施。
关键词：炉管 温度 渗碳 裂纹
1．前言
某乙烯裂解装置有5台ABB Lummus Heat Transfer ，炉型为SRT-Ⅳ HS。每台乙烯裂解炉辐射段的盘管共有4组炉管，每组有16根下降管2根上升管。下降管规格为φ54.2X5.5X12431mm，材质为HPM，材料加工方法为拉伸轧制；上升管规格为φ135X7.5X11392mm，材质为HP40+Nb，材料加工方法为离心铸造，铌含量为0.6-1.5%，设计使用温度为1115℃，熔点为1350℃，使用寿命约为10万小时。该乙烯裂解炉辐射段的炉管运行特点是：炉管内介质温度高，在800℃以上，炉管外壁的温度高达1110℃以上，操作压力低于0.2MPa。该乙烯裂解炉1995年8月投产，1997年辐射段的炉管出现严重的表面氧化、弯曲、蠕变、蠕胀、鼓包等现象，上升管的情况较严重，以后多次出现裂纹喷火现象。在辐射段上升管的检修过程中，发现炉管内壁出现很多裂纹，影响乙烯装置的安全生产和经济效益。
2．乙烯裂解炉管检修统计
对乙烯裂解炉辐射段的炉管从1997年到1999年的检修情况进行了统计，辐射段的炉管检修情况统计见表1。
表1 炉管检修情况统计
3．乙烯裂解炉管外壁温度
裂解炉管外壁的温度的测量采用仪器为MINTA TR-630，所测辐射段的炉管外壁的温度都作了记录。表2是在1997年乙烯裂解炉管外壁的测温记录中随机抽出的，表2中“上”表示从裂解炉上部观火孔位置测量的炉管温度，“中”表示从中上部观火孔测量的温度，“下”表示从下部观火孔测量的温度。从表2可以看出，上升管比下降管的温度高，炉管中部比上下部的温度高，同一根炉管，炉管外壁的温度不均匀，并且有超温现象。
表2 裂解炉管外壁测温记录
4．乙烯裂解炉管渗碳检验
1998年5月，利用乙烯裂解装置停工检修期间，委托大连理工大学对乙烯裂解炉管进行了渗碳厚度检测，在炉管的同一高度相隔180度各检测一点，渗碳报告检验结果是以壁厚6mm的裂解炉管为标准,摘录的检验数据见表3。
表3 乙烯裂解炉管渗碳层厚度检测记录
表3中所给数字的意义为：0表示未形成渗碳层；1表示渗碳层为1mm以下；2表示渗碳层为1-2mm以下；3表示渗碳层为2-3mm；4表示渗碳层为3-4mm；5表示渗碳层为4-5mm；6表示渗碳层为5-6mm（亦即包括渗透）。从表3中可以看出上升管渗碳严重，有些已渗透。
5．乙烯裂解炉管化学成分分析
对三种不同使用状态的辐射段上升管，采用直读光谱仪进行化学分析。第一种是全新的炉管，分组编号为LG-1；第二种是使用约两万小时，炉管的氧化不严重，炉管椭圆和弯曲变形不明显，炉管内壁分组编号为LG-2-1、2，炉管外壁分组编号为LG-2-3、4；第三种是在炉管运行中已出现两条环向裂纹，裂纹长度分别为60mm和110mm，椭圆度在11.5mm-18.1mm之间，炉管的两个迎火面有大小不一的麻点或坑，分组编号为LG-3-1、2、3，炉管外壁的氧化严重，且有氧化皮脱落，编号为LG-3-4。三种不同使用状态的辐射段上升炉管化学成分分析结果见表4。
表4 乙烯裂解上升管化学成分报告
注：直读光谱仪所测含碳量上限为3.24%，炉管的碳含量大于3.24%时,其含碳量的具体数值只显示3.24%。
由表4可以看出，炉管内壁的含碳量较炉管外壁的含碳量高；渗碳严重的炉管碳含量高于3.24%；Cr、Nb含量偏低；Ni含量偏高；S、P含量正常；Nb含量随含碳量提高而降低。对渗碳炉管进行了机械性能试验，其结果表明：渗碳炉管的抗拉强度和屈服强度明显下降，渗碳炉管的延伸率下降。
6．乙烯裂解炉管失效原因分析
渗碳是指在高温下碳原子由碳势高的原料气向炉管中扩散的现象。乙烯裂解炉管内介质主要有各种烷烃、烯烃、炔、氢气、芳烃、焦油、H2O、CO、CO2等组成，各种烃类经过裂解后析出活性炭，活性炭将吸附在金属表面上，经扩展进入金属内部而产生深碳。
通过实验看出，由于高温渗碳和蠕变的作用，使得炉管的金相组织发生变化，随着时间的延长，渗碳层厚度加深，渗碳层碳化物数量增加，使渗碳层的塑性降低，脆性增大，易于裂纹的产生；渗碳区内表面出现网状裂纹，渗碳层内则呈现大小不一的裂纹，裂纹在渗碳层内沿晶界开裂和扩展；炉管处于高温蠕变操作条件下，材料组织发生变化，并出现空洞，在渗碳层内，随着空洞数量的增加和相连接，最终形成裂纹，而深碳层内原有裂纹油沿着空洞发展，加快了空洞变成裂纹的步伐；渗碳使得渗碳层密度减小，体积膨胀，对外层非渗碳层产生体积应力，恶化了外壁受力状况，促进了炉管的断裂；渗碳层的热膨胀系数降低，使得外壁非渗碳层与内壁不一致而产生“膨胀应力”，增加炉管的内应力，利于裂纹的产生。
裂解炉管长期在高温下运行，炉管内壁产生结焦，由于结焦层的传热系数、导热系数均小于管材，当炉管内的结焦层较厚时，为了保证生产效率必然要提高炉管的外壁温度，加剧了炉管的渗碳速率。在降温时结焦层妨碍炉管的热收缩，产生很大的拉应力，甚至使炉管产生裂纹而开裂损坏。
7．乙烯裂解炉管失效过程示意
裂解炉管失效过程示意：高温下运行——>产生蠕变、弯曲、氧化、结焦、渗碳——>金相组织恶化、机械性能下降、应力增大——>晶界上有空洞、渗碳层产生微裂纹——>在应力的作用下形成裂纹——>在热冲击的作用下断裂。
8．延长炉管寿命的处理措施
炉管在高温状态下运行，由于加工原料的性质的决定，长期运行的炉管渗碳是不可避免的。渗碳造成炉管材料的各种性能的降低和组织恶化，将低了炉管的使用寿命。炉管的失效主要与渗碳有关，而影响渗碳的主要因素是温度；另一方面裂解炉管需要定期进行清焦，这样炉管必须承受温度波动和热冲击造成的疲劳作用，而渗碳后疲劳性能的下降影响了炉管的使用寿命，导致炉管的快速破坏。为了延长运行炉管的使用寿命，必须从两方面考虑，一是如何才能避免或减缓炉管的各种损伤；二是对当前炉管损伤的形式和程度采取相应的措施，以尽量延长炉管的使用寿命。应采取以下措施：
8．1及时监控炉管表面温度，保证炉管在1115℃以下运行，到达此温度时及时调整操作。
8．2按设计要求分配加工量，避免裂解炉超负荷运行。
8．3加强巡检，观察烧嘴燃烧情况，发现火焰出现舔烧炉管和二次燃烧时，及时进行调整，保证火焰正确燃烧。
8．4裂解炉到达烧焦条件时，及时按裂解炉烧焦程序进行烧焦，保证烧焦彻底，防止炉管堵塞。
8．5改善炉管内表面状态，在炉管进货和安装检修时检查内表面，杜绝使用内表面有麻点或组织疏松的炉管。
8．6如果发现裂解炉管出现裂缝和堵塞，及时进行处理。在对炉管进行检修时要及时调整炉管的配重和导轨，防止炉管弯曲。