乙烯裂解爐管裂紋原因分析

　　某化工廠的乙烯裂解爐是該廠核心設(shè)備，其中的爐管又是關(guān)鍵部件。爐管材質(zhì)為ZG4Cr20Ni25(HK-40)鋼。運(yùn)行時(shí)爐管外壁溫度高達(dá)950℃～1100℃，管內(nèi)壓力為0.3～0.5MPa，經(jīng)常出現(xiàn)停車(chē)現(xiàn)象。在第二次清焦和檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中1根爐管外表面有一長(zhǎng)約5mm，寬約0.1mm，深約0.1mm的裂紋。該爐管累計(jì)運(yùn)行僅5000h，大大低于乙烯裂解爐管的設(shè)計(jì)壽命1×105h。如此過(guò)早失效是罕見(jiàn)的。為此我們對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，試圖找出導(dǎo)致?tīng)t管早期開(kāi)裂的原因。

　　(1)宏觀檢測(cè)從該化工廠的乙烯裂解爐管上選取兩段試樣。A段帶有上述裂紋，B段則無(wú)裂紋。將A，B段爐管分別沿軸線鋸開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)兩段管內(nèi)壁明顯不同，A段內(nèi)壁比B段的顏色黑。為此取A段試樣的一半磨制和拋光后進(jìn)行腐蝕。結(jié)果證實(shí)A段已明顯滲碳(如圖1)。圖中顏色較深者即為滲碳層。可以看出最大滲層已達(dá)管壁厚度的一半。

　　(2)化學(xué)成分分析表1為化工廠提供的爐管標(biāo)準(zhǔn)成分及試樣測(cè)得的化學(xué)成分。經(jīng)分析A段爐管的實(shí)際碳含量低于標(biāo)準(zhǔn)的下限。研究表明，HK-40鋼的碳含量在0.38%～0.45%范圍內(nèi)時(shí)其抗?jié)B碳能力最強(qiáng)；碳含量低于0.35%時(shí)抗?jié)B碳能力明顯下降。另外HK-40鋼碳含量對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度也有很大影響(見(jiàn)圖2)。當(dāng)碳含量低于0.35%時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度快速下降，也是導(dǎo)致裂紋過(guò)早產(chǎn)生的一個(gè)原因。

　　(3)滲碳引發(fā)裂紋根據(jù)Fe、Cr、C三元相圖可知，HK-40鋼滲碳后滲層中的Cr23C6轉(zhuǎn)變?yōu)镃r7C3，Cr7C3是一種密度比Cr23C6低的碳化物，這就導(dǎo)致滲層體積膨脹。另外Cr7C3的熱膨脹系數(shù)也低于Cr23C6。爐管內(nèi)壁滲碳，未滲碳的管外壁就要受到拉應(yīng)力作用。另一方面，因滲碳層熱膨脹系數(shù)的降低，在裂解爐管停爐降溫時(shí)，管內(nèi)壁受壓，外壁受拉。在開(kāi)爐升溫時(shí)，則內(nèi)壁受拉，外壁受壓。特別是如果停爐降溫或開(kāi)爐升溫過(guò)快，應(yīng)力驟變更易產(chǎn)生裂紋。

　　通過(guò)以上檢驗(yàn)分析可以得出以下結(jié)論：①裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)镠K-40鋼含碳量偏低導(dǎo)致其抗?jié)B碳能力降低及鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度降低；②頻繁開(kāi)停爐也是此裂紋過(guò)早產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。