摘  要：簡(jiǎn)介乙烯裂解爐管的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，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(jiǎn)介延長(zhǎng)爐管壽命的處理措施。
        關(guān)鍵詞：爐管    溫度    滲碳    裂紋
        1．前言
　　某乙烯裂解裝置有5臺(tái)ABB  Lummus  Heat  Transfer ，爐型為SRT-Ⅳ HS。每臺(tái)乙烯裂解爐輻射段的盤(pán)管共有4組爐管，每組有16根下降管2根上升管。下降管規(guī)格為φ54.2X5.5X12431mm，材質(zhì)為HPM，材料加工方法為拉伸軋制；上升管規(guī)格為φ135X7.5X11392mm，材質(zhì)為HP40+Nb，材料加工方法為離心鑄造，鈮含量為0.6-1.5%，設(shè)計(jì)使用溫度為1115℃，熔點(diǎn)為1350℃，使用壽命約為10萬(wàn)小時(shí)。該乙烯裂解爐輻射段的爐管運(yùn)行特點(diǎn)是：爐管內(nèi)介質(zhì)溫度高，在800℃以上，爐管外壁的溫度高達(dá)1110℃以上，操作壓力低于0.2MPa。該乙烯裂解爐1995年8月投產(chǎn)，1997年輻射段的爐管出現(xiàn)嚴(yán)重的表面氧化、彎曲、蠕變、蠕脹、鼓包等現(xiàn)象，上升管的情況較嚴(yán)重，以后多次出現(xiàn)裂紋噴火現(xiàn)象。在輻射段上升管的檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)爐管內(nèi)壁出現(xiàn)很多裂紋，影響乙烯裝置的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。
        2．乙烯裂解爐管檢修統(tǒng)計(jì)
        對(duì)乙烯裂解爐輻射段的爐管從1997年到1999年的檢修情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，輻射段的爐管檢修情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1          爐管檢修情況統(tǒng)計(jì)

        3．乙烯裂解爐管外壁溫度
        裂解爐管外壁的溫度的測(cè)量采用儀器為MINTA TR-630，所測(cè)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(cè)溫記錄中隨機(jī)抽出的，表2中“上”表示從裂解爐上部觀火孔位置測(cè)量的爐管溫度，“中”表示從中上部觀火孔測(cè)量的溫度，“下”表示從下部觀火孔測(cè)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(xiàn)象。  

    表2         裂解爐管外壁測(cè)溫記錄

        4．乙烯裂解爐管滲碳檢驗(yàn)
        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(xué)對(duì)乙烯裂解爐管進(jìn)行了滲碳厚度檢測(cè)，在爐管的同一高度相隔180度各檢測(cè)一點(diǎn)，滲碳報(bào)告檢驗(yàn)結(jié)果是以壁厚6mm的裂解爐管為標(biāo)準(zhǔn),摘錄的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

    表3        乙烯裂解爐管滲碳層厚度檢測(cè)記錄

        表3中所給數(shù)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(yán)重，有些已滲透。
        5．乙烯裂解爐管化學(xué)成分分析
        對(duì)三種不同使用狀態(tài)的輻射段上升管，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)分析。第一種是全新的爐管，分組編號(hào)為L(zhǎng)G-1；第二種是使用約兩萬(wàn)小時(shí)，爐管的氧化不嚴(yán)重，爐管橢圓和彎曲變形不明顯，爐管內(nèi)壁分組編號(hào)為L(zhǎng)G-2-1、2，爐管外壁分組編號(hào)為L(zhǎng)G-2-3、4；第三種是在爐管運(yùn)行中已出現(xiàn)兩條環(huán)向裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為60mm和110mm，橢圓度在11.5mm-18.1mm之間，爐管的兩個(gè)迎火面有大小不一的麻點(diǎn)或坑，分組編號(hào)為L(zhǎng)G-3-1、2、3，爐管外壁的氧化嚴(yán)重，且有氧化皮脫落，編號(hào)為L(zhǎng)G-3-4。三種不同使用狀態(tài)的輻射段上升爐管化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表4。

    表4          乙烯裂解上升管化學(xué)成分報(bào)告

        注：直讀光譜儀所測(cè)含碳量上限為3.24%，爐管的碳含量大于3.24%時(shí),其含碳量的具體數(shù)值只顯示3.24%。
        由表4可以看出，爐管內(nèi)壁的含碳量較爐管外壁的含碳量高；滲碳嚴(yán)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(duì)滲碳爐管進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)，其結(jié)果表明：滲碳爐管的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(shì)高的原料氣向爐管中擴(kuò)散的現(xiàn)象。乙烯裂解爐管內(nèi)介質(zhì)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(jīng)過(guò)裂解后析出活性炭，活性炭將吸附在金屬表面上，經(jīng)擴(kuò)展進(jìn)入金屬內(nèi)部而產(chǎn)生深碳。
        通過(guò)實(shí)驗(yàn)看出，由于高溫滲碳和蠕變的作用，使得爐管的金相組織發(fā)生變化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滲碳層厚度加深，滲碳層碳化物數(shù)量增加，使?jié)B碳層的塑性降低，脆性增大，易于裂紋的產(chǎn)生；滲碳區(qū)內(nèi)表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，滲碳層內(nèi)則呈現(xiàn)大小不一的裂紋，裂紋在滲碳層內(nèi)沿晶界開(kāi)裂和擴(kuò)展；爐管處于高溫蠕變操作條件下，材料組織發(fā)生變化，并出現(xiàn)空洞，在滲碳層內(nèi)，隨著空洞數(shù)量的增加和相連接，最終形成裂紋，而深碳層內(nèi)原有裂紋油沿著空洞發(fā)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(duì)外層非滲碳層產(chǎn)生體積應(yīng)力，惡化了外壁受力狀況，促進(jìn)了爐管的斷裂；滲碳層的熱膨脹系數(shù)降低，使得外壁非滲碳層與內(nèi)壁不一致而產(chǎn)生“膨脹應(yīng)力”，增加爐管的內(nèi)應(yīng)力，利于裂紋的產(chǎn)生。
        裂解爐管長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，爐管內(nèi)壁產(chǎn)生結(jié)焦，由于結(jié)焦層的傳熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)均小于管材，當(dāng)爐管內(nèi)的結(jié)焦層較厚時(shí)，為了保證生產(chǎn)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(shí)結(jié)焦層妨礙爐管的熱收縮，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，甚至使?fàn)t管產(chǎn)生裂紋而開(kāi)裂損壞。
         7．乙烯裂解爐管失效過(guò)程示意
         裂解爐管失效過(guò)程示意：高溫下運(yùn)行——>產(chǎn)生蠕變、彎曲、氧化、結(jié)焦、滲碳——>金相組織惡化、機(jī)械性能下降、應(yīng)力增大——>晶界上有空洞、滲碳層產(chǎn)生微裂紋——>在應(yīng)力的作用下形成裂紋——>在熱沖擊的作用下斷裂。
        8．延長(zhǎng)爐管壽命的處理措施
        爐管在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，由于加工原料的性質(zhì)的決定，長(zhǎng)期運(yùn)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(guān)，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(jìn)行清焦，這樣爐管必須承受溫度波動(dòng)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(dǎo)致?tīng)t管的快速破壞。為了延長(zhǎng)運(yùn)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(duì)當(dāng)前爐管損傷的形式和程度采取相應(yīng)的措施，以盡量延長(zhǎng)爐管的使用壽命。應(yīng)采取以下措施：
        8．1及時(shí)監(jiān)控爐管表面溫度，保證爐管在1115℃以下運(yùn)行，到達(dá)此溫度時(shí)及時(shí)調(diào)整操作。
        8．2按設(shè)計(jì)要求分配加工量，避免裂解爐超負(fù)荷運(yùn)行。
        8．3加強(qiáng)巡檢，觀察燒嘴燃燒情況，發(fā)現(xiàn)火焰出現(xiàn)舔燒爐管和二次燃燒時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證火焰正確燃燒。
        8．4裂解爐到達(dá)燒焦條件時(shí)，及時(shí)按裂解爐燒焦程序進(jìn)行燒焦，保證燒焦徹底，防止?fàn)t管堵塞。
        8．5改善爐管內(nèi)表面狀態(tài)，在爐管進(jìn)貨和安裝檢修時(shí)檢查內(nèi)表面，杜絕使用內(nèi)表面有麻點(diǎn)或組織疏松的爐管。
        8．6如果發(fā)現(xiàn)裂解爐管出現(xiàn)裂縫和堵塞，及時(shí)進(jìn)行處理。在對(duì)爐管進(jìn)行檢修時(shí)要及時(shí)調(diào)整爐管的配重和導(dǎo)軌，防止?fàn)t管彎曲。