制氢转化炉猪尾管爆裂分析

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1、制氢转化炉猪尾管爆裂分析摘要：针对典型制氢装置转化炉出口猪尾管，通过各种理化检测分析手段阐述其爆裂的主要原因，并提出严格控制转化炉运行参数，避免炉管因高温蠕变造成炉管破坏。　　关键词：猪尾管；爆裂；蠕变；失效。　　某炼油厂制氢装置设计生产能力为50000Nm3/h。1995年7月投入运行。转化部分采用A、B双套工艺流程。制氢转化炉炉管为国产离心铸造高温合金钢管（材质为ZG40Cr25Ni35Nb），规格为Φ123mm×10mm×14160mm。出口猪尾管为进口无缝合金管材（材质为Incoloy800H），按图纸整根冷弯成型，规格

2、为Φ32mm×3.5mm。2008年5月，B套转化炉炉管整体更换，至2011年11月泄漏着火时，累计运行27528h。　　停炉检查发现B套转化炉同一列炉管中有六根炉管（1#，2#，3#，6#，7#，8#）在出口猪尾管焊口下方200mm左右发现长约80mm的穿透性裂口，开裂处均伴有鼓包，如下图0-1。7#出口猪尾管出现一个长约100mm长的裂口，如下图0-2。　　根据事故现场情况分析，发生着火的直接原因是7#出口猪尾管爆裂，氢气大量泄漏，在高温条件下产生爆燃。火焰对附近转化炉管表面灼烧，造成炉管根部不同程度的穿透裂纹。为查明猪尾管

3、失效真实原因，我们对爆裂的猪尾管做了进一步理化分析。　　1宏观、低倍分析　　1.1猪尾管取样　　对7#猪尾管进行外观检查，管子外径为φ36.7mm，明显变粗。继而对所有的140根猪尾管进行外观尺寸测量，发现外径均有不同程度的增大，其中发现5根猪尾管外径增大明显，尺寸在φ34.5―φ37之间，且管子弯曲变形严重。选择爆裂的7#猪尾管和外径变粗最明显的120#猪尾管分别取一段试样命名为试样1、试样2，如图1-1，进行理化分析。　　1.2宏观、低倍分析　　试样1爆口长100mm，中间最宽处有5～6mm，形状呈鱼嘴形；主爆口旁还有些小裂

4、缝，见图1-3。试样1爆口对面外表面可见有大量凸起泡存在，并有细小裂纹沿纵向延伸；剖开管子截面，可以看见，在爆口对面管壁上有多条径向裂纹，已经基本穿透管壁，经台钳夹紧加压后管子完全开裂，见图1-4。试样2管壁上没有发现径向裂纹存在，见图1-5。　　2化学分析　　猪尾管的材质（Incoloy800H）是一种镍铁铬耐蚀合金，其中含Fe46.0%，含Ni30.0%～35.0%，含Cr19%～23%，含C不超过0.1%，另还含少量的Mn、Si、Cu、Al、Ti等合金元素。由于该合金中Ni不低于30%，（Fe+Ni）不低于60%，一般亦称

5、其为铁镍基耐蚀合金。　　从试样2端部切取30×30mm管壁样品，对其进行化学成分分析，结果见表2-1。可见，炉管材质的化学成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金成分标准。　　3金相分析　　在试样1、2中间爆口（胀粗）处，切取横向金相样品，经预磨、抛光和腐刻后在显微镜下观察分析。　　试样1爆口处，炉管壁明显减薄，管壁内存在大量与爆口表面平行且沿晶分布的蠕变裂纹和空洞，蠕变裂纹和空洞边缘有氧化层存在，晶内、晶界有大量析出碳化物，见图3-1。　　试样2金相样品取自送检管子的中间处。管壁内存在径向蠕变裂纹和空洞，

6、晶内、晶界有析出碳化物，这与试样1端部的管壁金相组织是相同的，见图3-2。　　另外，在试样1、2内、外表面裂纹的密度都比较大，形成龟裂状态，并从裂纹边缘看已经出现了氧化腐蚀。热疲劳和高温氧化是材料发生龟裂的主要原因，由于龟裂的出现，加剧了材料的蠕变破坏。因此，出口尾管的破裂是由蠕变损伤和热疲劳损伤综合作用所致。　　4扫描电镜分析　　取试样1爆口表面和爆口对面处由外力打开的裂纹断口表面，利用扫描电镜对其进行微观形貌观察和元素成分能谱分析，见图4-1。　　爆口表面：由于试样1爆口是在高温下破裂的，其爆口表面已经严重氧化，爆口表面所含

7、的元素主要为C、O、Cr、Ni、Fe、Al等；并仍可以看到管子沿晶开裂的形态。　　裂纹断口表面：由于试样1裂纹断口在高温下并没有完全破裂，因此，裂纹断口表面的各处有所不同，原来已经形成与内外管壁连通的蠕变裂纹处成为断口后，断口表面（图4-1中a区）与爆口表面的相貌与所含元素都基本相同。而管壁没有蠕变裂纹或蠕变裂纹很细小处成为断口后，断口表面（图4-1中b区）没有受到严重的高温氧化，因此，可以看到很清晰的沿晶断裂表面；虽然主要元素的种类与爆口表面基本相同，但O的含量明显地减少，这说明了该处没有受到高温氧化或摘要：针对典型制氢装置转

8、化炉出口猪尾管，通过各种理化检测分析手段阐述其爆裂的主要原因，并提出严格控制转化炉运行参数，避免炉管因高温蠕变造成炉管破坏。　　关键词：猪尾管；爆裂；蠕变；失效。　　某炼油厂制氢装置设计生产能力为50000Nm3/h。1995年7月投入运行。转化部分采用A、B双