乙烯裂解爐爐管滲碳損傷分析_圖文

1、乙烯裂解爐爐管滲碳損傷分析張禮敬1,涂善東2,顏世華1(1.南京工業(yè)大學安全工程研究所,江蘇南京210009;2.華東理工大學機械工程學院,上海200237摘要:為了解決乙烯裂解爐爐管在高溫環(huán)境下工作造成的滲碳損傷問題,選用了服役時間3 7a的10根HP40裂解爐管進行解剖,采用顯微組織和成分分析等手段,研究了爐管滲碳損傷和滲碳機理。結果表明:服役爐管內壁損傷程度較外壁嚴重;服役時間在5a以下的爐管,內壁滲層深度大于外壁,但相同深度滲層碳含量小于外壁;滲碳實際為氧化、滲碳交替發(fā)生的過程。關鍵詞:乙烯;裂解管;HP40鋼;滲碳;損傷中圖分類號:T G142.73文獻標識碼:A文章編號:10002

2、3738(20080920075204C arburization Damage Analyses of Ethylene Pyrolysis TubesZHANG Li2jing1,TU Shan2dong2,YAN Shi2hua1(1.Nanjing University of Technology,Nanjing210009,China;2.East China University of Science and Technology,Shanghai200237,ChinaAbstract:To solve the problem that ethylene pyrolysis tu

3、bes produce carburization damage in service at high temperature,about10tubes of HP40alloy after3-7years service in an ethylene pyrolysis furnace had been choiced and the carburization damage and carbarization mechanism had been investigated by microstructure and micro2content analysis.The results sh

4、ow that the damage of the inner surface was more seriouse than that of the outer surface. During5years service life the carburizing depth of the inner surface was larger than that of the outer surface,but the carbon content of the inner surface was less than that seriouse of the outer surface at the

5、 same depth.The carburization damage is an alternant process of oxidizing and carburizing.K ey w ords:ethylene;pyrolysis tube;HP40steel;carburization;damage0引言在石油化工工業(yè)中,乙烯生產占有非常重要的地位,而乙烯生產裝置的投入成本極高,其中僅裂解管一項就約占乙烯設備總投資的十分之一1。因此乙烯裂解爐管的使用和損傷情況,越來越受到重視和關注。研究證明2,3裂解爐管損壞原因是復雜的,最終導致裂解爐爐管失效是多種因素共同作用的結果,其中合金滲碳

6、引起材質劣化在爐管損壞中占22%4。由于滲碳等原因,導致爐管出現膨脹、彎曲等變形,受滲碳和各種熱應力的影響,爐管往往會發(fā)生過早損傷5。其主要原因是碳氫化合物在爐管內表面分解形成的碳原子進入合金并向內部擴散形成劣化材質的碳化物。裂解爐管在高溫(1050左右,有滲碳可能性下運行,管內介質主要為石收稿日期:2007209214;修訂日期:2008201206作者簡介:張禮敬(1962-,男,江蘇南京人,教授,碩士。腦油、輕柴油和乙烯,管外為燃燒氣氛。因此要求爐管有較好的高溫強度和塑性、高溫抗氧化性、高溫抗蠕變性、抗?jié)B碳性、良好的高溫持久性能和焊接性。目前選用的為抗?jié)B碳性能和蠕變斷裂強度都較高的HP2

7、40(如ZG4Cr25Ni35系列材料制造裂解爐管。但即使如此使用后仍會出現滲碳現象,引起性能變化;由于不均勻變形,導致爐管排列稀疏不均。為了減緩爐管的早期損失,降低生產成本,已從爐管的組織和性能、失效分析,到對爐管溫度場、應力場模擬分析計算等對爐管進行了多方面的研究。但對爐管滲碳損傷類型進行研究很少見諸報道,為此作者選取了服役時間不同(37a的爐管,分析滲碳的嚴重程度,同時對滲碳層成分的變化進行分析,并探索其滲碳機理。1試樣制備與試驗方法選取某廠乙烯生產裝置中不同服役時間的10根管子(編號110,直徑159mm,壁厚8mm,服第32卷第9期2008年9月機械工程材料MaterialsforM

8、echanicalEngineeringVol.32No.9Sep.2008役時間見表1。表1爐管編號和服役時間(aT ab.1The servies life of tubes(a爐管編號12345678910服役時間7.08 5.67 5.08 4.67 4.41 4.41 3.75 4.83 1.33 4.25將爐管切割成15mm×10mm的長方形試塊,經機械磨片、拋光后用X J Z26型光學顯微鏡進行損傷層深度測量。用P H I2610型俄歇掃描顯微鏡測試試樣橫截面滲碳層深度和滲碳層成分,并對爐管內外壁滲碳狀況進行分析。2試驗結果與分析2.1爐管內外壁損傷層深度滲碳損傷層的深

9、度是在使用一段時間后,由晶界氧化、滲碳造成明顯腐蝕損傷的深度。在試樣未侵蝕情況下,損傷層與基體有明顯的分界線。圖1圖3表明(只選取了3個爐管,其它的類似,爐管損傷層深度并非均勻發(fā)展,且內外壁損傷深度也不一樣;有些均勻前進,有些局部發(fā)展。同時也表明損傷是沿晶界延伸。由表2可見,損傷層分布不均勻,沿內外壁邊緣向中心在逐漸減輕。對于服役年限達4a左右的爐管,內壁局部損傷較為明顯。試驗中的7號管內外壁損傷都較嚴重,可能與取管部位恰好處在迎火面,或者由于工藝損傷的原因該處受傷最為嚴重,從而導致該處爐管損傷較深。Mucek等曾對服役20個月的HP40鑄造爐管進行分析,得出同樣的結論,其滲碳層分布不均勻,靠

10、近火嘴部位更加嚴重6。以8號和9號爐管為研究對象,分別在內外壁沿圓周相隔90°取4個樣進行組織分析,考察爐管沿圓周方向損傷層的變化。由表3明顯可見,2個爐表2裂解管內外壁損傷層深度(未侵蝕(mm T ab.2The depth of pyrolysis tube d am age layer on the inner and outer surfaces(unetched(mm編號內壁外壁形貌10.2400.2900.200.280內壁均勻和密集,外壁輕于內壁20.1600.3200.290外壁比1號爐管稀,但局部損傷深30.2080.240內壁損傷稀,而外壁相對密些40.0880.

11、3040.192內壁不均勻,個別較深,外壁密、淺50.3200.304內壁損傷稀,外壁均勻亦較密60.2880.360內壁損傷稀,外壁均勻、密和深70.5200.344內外壁損傷嚴重, 且沿管壁均勻分布(a 內壁(b外壁圖11號爐管內外壁損傷層形貌(未侵蝕125×Fig.1The d am age layer along cross2section close to inner and outer w alls of1#tube(unetched125×(aon the inner w all(bon the outer w all(a 內壁(b外壁圖24號爐管內外壁損傷層

12、形貌(未侵蝕125×Fig.2The d am age layer along cross2section close to inner and outer w alls of4#tubes(unetched125×(aon the inner w all(bon the outer w all管內外壁沿周向損傷深度不一樣,說明爐管在爐膛內受熱是不均勻的,從而導致組織損傷也不相同;內 (a 內壁(b外壁圖36號爐管內外壁損傷層形貌(未侵蝕125×Fig.3The d am age layer along cross 2section close to innera

13、nd outer w alls of 6#tubes (unetched125×(aon the inner w all (bon the outer w all表3爐管內外壁沿周向損傷深度(mmT ab.3The depth of d am age layer on the inner and outer w alls around circumferential direction of tube(mm編號ABCD內壁外壁內壁外壁內壁外壁內壁外壁80.440.200.360.160.320.240.400.2490.200.080.120.120.120.120.1200.184

14、0.0640.184壁損傷層明顯大于外壁 ;圖1和圖2也表明損傷都是沿晶界擴展。由于爐管周向是不均勻的損傷,結果導致爐管變形不均勻,這與文獻7的模擬結果相一致。2.2爐管內外壁滲碳層深度和碳含量滲碳層深度是以母材的碳含量作為比較基準,即從表面向內部檢測,當碳含量達到此數值時,由表面至此的距離,即為滲碳層深度。而滲碳層含量為表面測得的碳含量平均值。由表4可見,爐管服役時間在5a 以下時,內壁滲碳層深度多大于外壁,所以內壁首先起裂。管壁內部組織損傷層是裂紋發(fā)展的主要途徑,損傷越大越易開裂。對于爐管服役時間與滲碳層含碳量的關系較為復雜(表4,服役時間在5a 以下時,爐管內壁含碳量多小于外壁。即隨著服

15、役時間的延長,滲層碳含量是一種增加的趨勢。這與文獻8,9的研究結果相符。綜合分析表明,爐管服役時間在5a 以下時,爐管內壁碳含量小于外壁;而滲層深度,則是內壁大于外壁。這是因為在滲碳的早期,內壁吸收碳的同時,亦要向內部滲入或擴散,由于初期內部碳濃度相對較低,所以向內部擴散較快,結果內壁含碳量相對就較低,而滲碳層相對較深,這也表明內壁損傷嚴重。隨著服役時間的增加,碳擴散到一定程度后,內部碳濃度增加,擴散速度減慢,內壁滲層含碳量聚集升高,而高于外壁。因此損傷層內壁大于外壁,即內壁碳含量高、滲層深,所以內壁首先起裂,損傷越大越易開裂,見圖4和圖5。表4不同爐管滲碳層深度和碳含量T ab.4Depth

16、 and carbon content of carburizationlayer of pyrolysis tubes in service編號滲碳層深度/mm 滲碳層碳含量/%內壁外壁內壁外壁1 1.3485 1.272710.19.72 1.3030 1.378810.17.33 1.2955 1.36009.2 5.58A 1.3712 1.16677.37.68B 1.3296 1.37128.4 6.98C 1.3636 1.30307.88.38D 1.2803 1.3447 6.98.44 1.3182 1.36367.18.55 1.3258 1.19707.8 5.16 1

17、.3334 1.27657.59.97 1.2879 1.24248.37.89C 1.4015 1.33347.99.5101.30301.31827.67.2圖42號爐管裂紋沿損傷晶界起裂125×Fig.4C rack initiated along d am age grain bound aries of 2#tube2.3滲碳機理探討在生產過程中,乙烯裂解爐管內部有石腦油、超高壓蒸汽、高溫熱油、800高溫裂解氣,外部為燃燒的火焰。為了研究晶界損傷機理,通過能譜對舊爐管內外壁晶界損傷進行分析,發(fā)現內外壁晶界都圖55號爐管裂紋沿損傷晶界擴展125×Fig.5Crack

18、 grow n from d am age grain bound aries of5#tube含有氧元素,見表5,說明晶界損傷是一個有氧參與的過程,即氧化和滲碳會同時進行。內壁氧含量少是由于滲碳較外壁嚴重的原因。俄歇分析結果表明,外壁晶界也有氧元素;內壁晶界最內層沒有氧,稍稍向里一點即有氧存在。說明滲碳損傷實際上是氧化和滲碳同時作用的過程。表56號爐管內外壁晶界化學成分(質量分數/%T ab.5G rain2bound ary composition on the inner and outer w alls of6#tube w eight fraction(m ass%位置O Si Cr

19、 Mn Fe Ni Nb C次內壁晶界18.8929.5321.36 2.0413.3510.47 4.36-次外壁晶界39.0930.2118.540.72 2.88 2.81 5.74-新晶界- 3.3832.48 1.7227.6032.64- 2.186號爐管內外壁及中部成分的變化見表6?？梢?服役爐管內壁滲碳嚴重,為外壁的2倍,碳含量達到4.91%,這也表明內壁服役條件苛刻,是裂紋首先起裂部位。同時發(fā)現鉻損失較多,而鎳不但沒有減少,外壁含量還有明顯增加。鉻的減少將導致鋼材的高溫蠕變斷裂強度降低,抗氧化和抗?jié)B碳性能減少。鎳將繼續(xù)保持鋼材的高溫強度、高溫韌性和抗?jié)B碳能力,但與鉻的配合作用

20、下降。Kaya 等10和L yle11的研究成果與表6的結果基本一致。3結論(1服役爐管內壁損傷程度較外壁嚴重。(2爐管服役時間在5a以下時,內壁滲層深度大于外壁,但滲層平均碳含量小于外壁。表66號爐管橫截面成分(質量分數/%T ab.6Chemical compositions of pyrolysis tubes along cross2section of6#tube(m ass/%位置C Si Cr Mn Fe Ni內壁 4.91 5.4612.560.9136.7539.41中部 1.30 1.4620.70 1.3136.6538.57外壁 2.36 1.02 5.670.5133

21、.8556.59新母材 2.06 2.3826.470.7931.7836.53 KHR235CW(標準0.40.51.52.024281.5-3437(3滲碳過程是有氧參與的滲碳、氧化共同交替發(fā)生的過程,損傷沿晶界進行。參考文獻:1譚家隆,李軍輝.乙烯裂解反應管的滲碳損傷及其原因C/石油化工裝置失效分析論文選集.大連:大連理工大學出版社,1991.2徐自立.乙烯裂解爐管的滲碳與判廢分析J.石油化工設備,1989,18(3:18-22.3J akobi D,G ommans R.Typical failures in pyrolysis coils foret hylene crackingJ

22、.Materials and Corrosion,2003,54(11: 881-886.4王富崗.裂解爐滲碳層自動檢測裝置的研制J.石油化工設備技術,1992,13(2:19-21.5王富崗,李德俊,譚家隆,等.乙烯裂解爐爐管材料的性能及其選用J.石油化工設備,1997,18(6:37-40.6Mucek,Mark W.Laboratory detection of degree of carburiza2tion in et hylene pyrolysis furnace tubingJ.Materials Per2 formance,1983,22(9:25-28.7Lan Xingying,Gao Jinsen,Xu Chunming.Temperature dis2tribution in et hylene pyrolyzerJ.Ch