乙烯裂解炉炉管早期损伤磁性无损评估及寿命预测技术
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裂解炉辐射炉管使用状态评估和剩余寿命预测
炉 管、 学安排炉 管更换 时间的 目的。 科
关键词 ： 裂解 炉；辐射炉管 ；剩余 寿命
中国石 油化 工股 份有 限公 司广 州 分公 司 （ 以 下 简称 广 州 乙烯 ） 原有 ６台 Ｓ Ｗ 的 Ｕ Ｃ ８ ＆ Ｓ２Ｕ型 裂
解 炉 ， 射 炉 管 原 产英 国 ， 台炉 有 ２ 辐 每 ８根 Ｕ型 辐
ｎｎ Ｕ ０， ０ ４
无
ｎ ａ ０． ５ ｌ） （ ４ ２． １ ２ Ｏ ．５ ２１ ５ ． ６ ５ ２ ． Ｏ． ５ Ｏ． ３ Ｏ． ３ Ｏ． ５ ｏ ｏ ２ Ｏ． ０ Ｏ． １ Ｏ． ５ Ｏ ０
无
Ｏ． ２ １
广 州 乙 烯 裂 解 炉 从 １９ ９ ７年 ９月 投 产 至 ２０ ０６ 年 １ 月 已运 行 ７ ５ 小 时 。２ ０ 年 １ ２ ．万 ０５ 月测量 Ｆ炉
Ｓ ｅ
１０ ． Ｏ． ０ ５ １８ ． １５ ．０
Ｈ３ ４Ｃｒ
０． ５ ４ Ｏ． ５ ３
０． ５
Ｏ． ３ Ｏ． ３ ０． ５ ０ ｏ ２
０． ０ ０． １ Ｏ． ５ ０ ２ Ｏ ０ ４． Ｏ． Ｏ ５ １ ０． ０ Ｏ２
１０ ． Ｏ． ０ ５
取 ｌ 段 炉 管 试 样 进 行 多 项 分 析 实 验 ， 用 ２ 运
收 稿 日期 ：０８— ５—０ 。 ２０ ０ ５
作者简介 ： 刘铁汉 （９ ４一） 男 ，９７年毕 业于湖南 省湘 潭大 １７ ， １９ 学化 工机械及设备专业 ， 现为 乙烯裂解装置设备主管 ， 工程师。
Ｌｒ ｎ Ｍ ｌｒ ａ ｏ — ｉ 参数法进行使用状态评估 和剩余 寿 ｓ ｌ ｅ
解
乙 工 Ｅ （ ～ 烯唧Ⅵ０，Ｉ ４４ 业２ ２Ｊ＿ ４ Ｎ ０）０ ０ Ｄｒ Ｅ ３Ｙ ８ Ｓ ］
关键词 ： 裂解 炉；辐射炉管 ；剩余 寿命
中国石 油化 工股 份有 限公 司广 州 分公 司 （ 以 下 简称 广 州 乙烯 ） 原有 ６台 Ｓ Ｗ 的 Ｕ Ｃ ８ ＆ Ｓ２Ｕ型 裂
解 炉 ， 射 炉 管 原 产英 国 ， 台炉 有 ２ 辐 每 ８根 Ｕ型 辐
ｎｎ Ｕ ０， ０ ４
无
ｎ ａ ０． ５ ｌ） （ ４ ２． １ ２ Ｏ ．５ ２１ ５ ． ６ ５ ２ ． Ｏ． ５ Ｏ． ３ Ｏ． ３ Ｏ． ５ ｏ ｏ ２ Ｏ． ０ Ｏ． １ Ｏ． ５ Ｏ ０
无
Ｏ． ２ １
广 州 乙 烯 裂 解 炉 从 １９ ９ ７年 ９月 投 产 至 ２０ ０６ 年 １ 月 已运 行 ７ ５ 小 时 。２ ０ 年 １ ２ ．万 ０５ 月测量 Ｆ炉
Ｓ ｅ
１０ ． Ｏ． ０ ５ １８ ． １５ ．０
Ｈ３ ４Ｃｒ
０． ５ ４ Ｏ． ５ ３
０． ５
Ｏ． ３ Ｏ． ３ ０． ５ ０ ｏ ２
０． ０ ０． １ Ｏ． ５ ０ ２ Ｏ ０ ４． Ｏ． Ｏ ５ １ ０． ０ Ｏ２
１０ ． Ｏ． ０ ５
取 ｌ 段 炉 管 试 样 进 行 多 项 分 析 实 验 ， 用 ２ 运
收 稿 日期 ：０８— ５—０ 。 ２０ ０ ５
作者简介 ： 刘铁汉 （９ ４一） 男 ，９７年毕 业于湖南 省湘 潭大 １７ ， １９ 学化 工机械及设备专业 ， 现为 乙烯裂解装置设备主管 ， 工程师。
Ｌｒ ｎ Ｍ ｌｒ ａ ｏ — ｉ 参数法进行使用状态评估 和剩余 寿 ｓ ｌ ｅ
解
乙 工 Ｅ （ ～ 烯唧Ⅵ０，Ｉ ４４ 业２ ２Ｊ＿ ４ Ｎ ０）０ ０ Ｄｒ Ｅ ３Ｙ ８ Ｓ ］
乙烯装置气体原料裂解炉炉管异常分析
局部金属表面有金属氧化物存在.这些金属氧化
图 ４ 为炉管金属表面检测点分布.表 ６ 为能谱检
测结果.由 图 ４ 和 表 ６ 可 以 看 出:点 １ 靠 近 最 外
表面 位 置,这 个 点 的 铬 含 量 已 经 很 低,而 铁、镍 含
物可能对结焦有促进作用.不同检测点铬、镍、铁
量很高.研究认为:炉管表面的铁、镍原子催化促
但是经上述处理后,裂解炉运行周期依然很短,各
根炉管出口温度指示依然偏差很大.
２．
１．
２ 富乙烷气夹带重组分
富乙烷气中经 常 排 放 出 重 组 分,其 中 苯 浓 度
２)对裂解炉对流段采取通球处理措施,并用
高压水冲洗.进 行 上 述 处 理 后,从 对 流 段 清 理 出
很多结焦物(见图 ３).对清洗车 水 槽 内 的 清 洗 水
均超过 １００d.从 ２０１１ 年 起,由 于 富 乙 烷 气 原 料
辐射段各 小 组 炉 管 出 口 温 度 (
COT)之 间 的
期达到 ２２０d,其他 气 体、液 体 裂 解 炉 运 行 周 期 也
下降,运行 ２~３d 后,辐 射 段 炉 管 表 面 温 度 又 大
幅上升,达到停炉条件.
夹带杂质,气体裂解 炉 (简 称 气 体 炉)开 始 运 行 异
含 量 差 别 很 大,富 镍 区 域 可 能 是 催 化 结 焦 中 心.
进丝状焦炭生成,这是炉管内结焦的引发步骤【１】;
５０
石 油 化 工 设 备 技 术
减少铁、镍含量,对减少裂解过程中的结焦有利【２】.
根据金属性能对裂解炉结焦性能的影响进行
排序,氧化铁、氧化镍等对结焦催化作用最强.
２０２１ 年
３５
图 ４ 为炉管金属表面检测点分布.表 ６ 为能谱检
测结果.由 图 ４ 和 表 ６ 可 以 看 出:点 １ 靠 近 最 外
表面 位 置,这 个 点 的 铬 含 量 已 经 很 低,而 铁、镍 含
物可能对结焦有促进作用.不同检测点铬、镍、铁
量很高.研究认为:炉管表面的铁、镍原子催化促
但是经上述处理后,裂解炉运行周期依然很短,各
根炉管出口温度指示依然偏差很大.
２．
１．
２ 富乙烷气夹带重组分
富乙烷气中经 常 排 放 出 重 组 分,其 中 苯 浓 度
２)对裂解炉对流段采取通球处理措施,并用
高压水冲洗.进 行 上 述 处 理 后,从 对 流 段 清 理 出
很多结焦物(见图 ３).对清洗车 水 槽 内 的 清 洗 水
均超过 １００d.从 ２０１１ 年 起,由 于 富 乙 烷 气 原 料
辐射段各 小 组 炉 管 出 口 温 度 (
COT)之 间 的
期达到 ２２０d,其他 气 体、液 体 裂 解 炉 运 行 周 期 也
下降,运行 ２~３d 后,辐 射 段 炉 管 表 面 温 度 又 大
幅上升,达到停炉条件.
夹带杂质,气体裂解 炉 (简 称 气 体 炉)开 始 运 行 异
含 量 差 别 很 大,富 镍 区 域 可 能 是 催 化 结 焦 中 心.
进丝状焦炭生成,这是炉管内结焦的引发步骤【１】;
５０
石 油 化 工 设 备 技 术
减少铁、镍含量,对减少裂解过程中的结焦有利【２】.
根据金属性能对裂解炉结焦性能的影响进行
排序,氧化铁、氧化镍等对结焦催化作用最强.
２０２１ 年
３５
乙烯裂解炉炉管失效FTA及改进方法
的基本 事件 。
计划 停车 ， 给企 业 带 来 经济 损 失 。 乙烯 裂 解 炉 炉管 的发展 趋 势是提 高裂 解温 度 、 短工 艺气停 留时间 、 缩 提高烯 烃 的效率 。 随着 裂 解 技 术 的发 展 ， 炉管 所 处
工 况条 件 更 为 苛 刻 ， 管 不 仅 工 作 温 度 高 （ 温 炉 壁
进 行 强化 ， 而不 至 于平 均 使 用 力 量 。列 出故 障树 的 最 小割 集后 ， 计算 出各 基本事 件 的结构 重要 度 ， 转 并 化成 各基 本事 件 的权 重 ， 见表 ２ 。
Ｋ 载 荷变 化的 影响
。
躺 一 一 舯 一 ∞一 瞅 一 勾一 叭 一 一一 一 要 度 一 螺
渗碳 气氛 作用 ， 壁承受 高温 氧化作 用 ， 外 使炉 管发生
损 坏 。
ｌ 故障树的建立
在 分析炉 管失 效 可 能 因 素 的基 础 上 ， 出 裂解 给 炉 炉管失 效 的主要形 式有 弯 曲 、 膨胀 、 裂 、 碳 、 开 渗 氧 化 、 焦 、 械 侵蚀 等 。针 对 炉 管 的失效 形 式 ， 立 结 机 建 了故 障树 （ １ 。该 故 障 树 一共 包 括 了 １ 图 ） ９个 不 同
乙 烯 工 业 作 为 石 油 化 学 工 业 的 龙 头 ， 石 化 工 在
８ ３ ～１１ ０ ） 而 且 内 壁 受 物 料 的 硫 化 和 强 烈 的 ０℃ ２ ℃ ，
业 乃至 国 民经济发 展 中 占重 要地 位 ， 乙烯 生 产 能 力 往 往被看 作是衡 量 一个 国家经 济发展 水 平 的重 要指 标之 一 。作为 乙烯 生产装 置 的核心部 分 裂解炉 的安 全可持 续生 产运行 是 至关重 要 的。裂 解炉炉 管 是裂 解炉 的核心部 件 ， 要 承受 高温 、 且 渗碳 、 焦 和 热 疲 结 劳 的作用 ， 易发 生 炉 管 损 伤 ， 成 裂 解 炉 的 非 容 造
计划 停车 ， 给企 业 带 来 经济 损 失 。 乙烯 裂 解 炉 炉管 的发展 趋 势是提 高裂 解温 度 、 短工 艺气停 留时间 、 缩 提高烯 烃 的效率 。 随着 裂 解 技 术 的发 展 ， 炉管 所 处
工 况条 件 更 为 苛 刻 ， 管 不 仅 工 作 温 度 高 （ 温 炉 壁
进 行 强化 ， 而不 至 于平 均 使 用 力 量 。列 出故 障树 的 最 小割 集后 ， 计算 出各 基本事 件 的结构 重要 度 ， 转 并 化成 各基 本事 件 的权 重 ， 见表 ２ 。
Ｋ 载 荷变 化的 影响
。
躺 一 一 舯 一 ∞一 瞅 一 勾一 叭 一 一一 一 要 度 一 螺
渗碳 气氛 作用 ， 壁承受 高温 氧化作 用 ， 外 使炉 管发生
损 坏 。
ｌ 故障树的建立
在 分析炉 管失 效 可 能 因 素 的基 础 上 ， 出 裂解 给 炉 炉管失 效 的主要形 式有 弯 曲 、 膨胀 、 裂 、 碳 、 开 渗 氧 化 、 焦 、 械 侵蚀 等 。针 对 炉 管 的失效 形 式 ， 立 结 机 建 了故 障树 （ １ 。该 故 障 树 一共 包 括 了 １ 图 ） ９个 不 同
乙 烯 工 业 作 为 石 油 化 学 工 业 的 龙 头 ， 石 化 工 在
８ ３ ～１１ ０ ） 而 且 内 壁 受 物 料 的 硫 化 和 强 烈 的 ０℃ ２ ℃ ，
业 乃至 国 民经济发 展 中 占重 要地 位 ， 乙烯 生 产 能 力 往 往被看 作是衡 量 一个 国家经 济发展 水 平 的重 要指 标之 一 。作为 乙烯 生产装 置 的核心部 分 裂解炉 的安 全可持 续生 产运行 是 至关重 要 的。裂 解炉炉 管 是裂 解炉 的核心部 件 ， 要 承受 高温 、 且 渗碳 、 焦 和 热 疲 结 劳 的作用 ， 易发 生 炉 管 损 伤 ， 成 裂 解 炉 的 非 容 造
浅谈乙烯裂解反应炉管的技术进展
浅谈乙烯裂解反应炉管的技术进展胡 轶,刘西涛,李健玲,王 宇(兰州炼油化工总厂技术中心,甘肃兰州 730060)摘 要:乙烯裂解炉管由于渗碳层与非渗碳层之间存在膨胀系数差异,在交变温度产生的热应力作用下炉管易于产生裂纹,直至断裂,因此对乙烯裂解炉管的质量要求高且需求量特别大。
本文就相关的技术及市场的发展情况作一综合分析说明。
关键词:乙烯裂解炉管;技术;市场;发展中图分类号:TE9631 综述乙烯是石化工业的基础原料,和分离装置已被国家发革委、科技部及商务部列入“当前优先发展的高技术产业化重点领域指南年度)”,乙烯裂解炉又是乙烯合成的关键设备烯裂解炉管是其核心部件。
目前,我国石化行业中在建和运行的乙烯合成装置近百套,对乙烯裂解炉管的性能提出很高的要求,并且需求量特别大。
随着我国乙烯工业的发展和乙烯合成装置的国产化,这类产品将显示出广阔的市场前景。
以下就乙烯裂解炉管的相关技术及市场情况等进行分析。
2 技术发展状况2.1 炉管结构的发展状况乙烯裂解反应炉管直接决定裂解目的产物的选择性和收率,目前裂解炉管大多采用光滑圆管,通过改变管径、管程数,每程炉管的根数等组合方式来改善辐射传热,其结构今后还会有所改进,但总的来说其潜力已经不大。
因此许多公司又研究推出了采用不同结构的异形管,或在圆管内外增加强化传热构件来提高炉管传热速率的新型炉管构型,这些新炉管有些在工业上已经应用,并获得了良好的效果。
2.2 .焊接技术离心铸造HP-Nb高温合金含有较高的C, Cr,Ni等元素,炉管的微观组织又是铸态组织,因此,焊接离心铸造HP-Nb高温合金炉管具有一定的难度。
特别在把一定数量的3～4m管段连接为10～20m左右管排时,采用的焊接技术要综合考虑保证焊接接头内在质量、提高焊接效率和改善焊缝性相的产生,减少Cr23C6的沉淀,形成同母材成分相匹配的焊缝。
2.3 .抗渗碳技术裂解炉管的各种损伤中,炉管渗碳最常见,且危害最大。
乙烯裂解炉辐射段炉管损伤原因分析
乙烯裂解炉辐射段炉管损伤原因分析孙博;李树强;王述国;杨会刚【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2018(47)2【摘要】Furnace tube in radiation cracking furnace is an important component of the ethylene plant. In this paper, the damage of cracking furnace tube in 800 kt/a ethylene unit was investigated by macro morphology, material analysis, hardness analysis, electron microscopy and energy spectrum analysis. The results showed that that due to the long service of furnace tube in high temperature, performance degradation and thinning and cracks appeared under erosion corrosion. At last, corresponding suggestions were put forward.%裂解炉辐射段炉管是乙烯装置该装置的重要部件,主要对某80万t/a乙烯装置受损的辐射段炉管,通过宏观形貌、材质分析、硬度检测、电镜及能谱分析等方面进行排查分析,得出由于炉管高温长期服役,性能退化,在冲刷腐蚀下出现减薄及裂纹,并针对该情况提出相应的建议.【总页数】3页(P431-433)【作者】孙博;李树强;王述国;杨会刚【作者单位】中国石油抚顺石化公司烯烃厂,辽宁抚顺 113000;中国石油抚顺石化公司烯烃厂,辽宁抚顺 113000;中国石油抚顺石化公司烯烃厂,辽宁抚顺113000;中国石油抚顺石化公司烯烃厂,辽宁抚顺 113000【正文语种】中文【中图分类】TQ221.21+1【相关文献】1.乙烯裂解炉辐射段炉管失效原因分析及对策 [J], 吴建平2.乙烯裂解炉辐射段炉管破裂原因探讨 [J], 吴建平3.乙烯裂解炉辐射段炉管断裂分析 [J], 李志斌4.乙烯裂解炉辐射段炉管鼓包开裂失效分析 [J], 刘海波;王君;沈源;徐烨璘;姜浩晖5.乙烯裂解炉辐射段炉管失效分析 [J], 谭玉鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
乙烯裂解炉炉管失效分析
化 工 机 械
维普资讯
２Ｏ０７年
乙烯 裂解 炉炉 管失效 分 析
尤 兆 宏
（上 海 赛 科石 化 股 份 有 限 责任 公 司 ）
摘 要 针 对服 役 ２个 月 的 乙烯 裂 解 妒 管 开 裂情 况 ，从 材 料 成 分 、微 观 组 织 、断 口形 貌 以及 温 差 应 力 等
方 面进 行 分 析 ，得 出失 效原 因—— 局 部 超 温 导致 材 料 劣 化 引起 开 裂 ，并提 出 了解 决 措 施 。
关 键 词 Leabharlann 乙烯 裂 解炉 炉 管 失效 超 温
中图 分 类 号 ＴＱ０５３．６
文 献 标 识码 Ｂ
文 章 编 号 ０２５４—６０９４（２００７）０６－０３４６－０４
在裂纹 金相 上 没有 观 察到 蠕 变 空洞 ，而蠕 变 产生 的裂 纹是蠕 变 空洞 连接 而 成 的 ，在 裂纹 的前 端 应分 布有蠕变空 洞 。因此 ，本 次分析 的裂纹 不
图 ４ ２ 试 样 沿 壁 厚 方 向金 相 组 织 ×５００
图 ５ ３ 试 样 沿 壁 厚 方 向金 相 组 织 ×５００ 是 炉管长期 蠕变 而产生 的 。
上海赛科 石化股 份有限 责任公 司共有 ８台裂 解炉 ，其 中 １台 １００％ 负 荷 运 行 （其 他 的 炉 子 均 ８０％ 负荷 运行 ），在投 产不 足 ２个 月 时就 被 烧 焦 ， 烧焦后 使用不 长 时间 因故 障 停 车 ，发 现 炉管 多 处 泄漏 ，其 中几 根 出 口管 在 ６ｍ 高 度处 出现 纵 向裂 缝 ，甚 至有的裂成 了碎 片 ；１根进 口管 出现环 向断 裂 。该裂解 炉 系 Ｌｕｍｍｕｓ ＶＩ型 ，炉 管材料 为 Ｍａｎ— ａｕｒｉｔｅ ＸＴＭ，离 心 铸 造 ，工 作 压 力 约 ０．１ＭＰａ。 ＬｕｍｍｕｓＶＩ燃烧 器为炉膛 底部 燃烧 ，辐射 段炉 管设 计 温度 为 １ １２５℃ ，炉管表面 温度 （ＴＭＴ）曾经达 到 １ １１５℃ （炉管 的控制 温度 ）。炉 管设计 寿命 １０ ｈ， 正 常情况下 ，炉 管使 用 ６×１０ ～８×１０ ｈ后 才 出 现 渗碳 、减 薄 、蠕变 而导致失 效¨ 。但 本次 分 析 的炉管使用 不到 ２个 月 就 出现 了 开裂 ，属 非 正 常 破 坏 ，需要 对此进行 分析 。 １ 裂 纹 宏 观 形 貌 分 析
维普资讯
２Ｏ０７年
乙烯 裂解 炉炉 管失效 分 析
尤 兆 宏
（上 海 赛 科石 化 股 份 有 限 责任 公 司 ）
摘 要 针 对服 役 ２个 月 的 乙烯 裂 解 妒 管 开 裂情 况 ，从 材 料 成 分 、微 观 组 织 、断 口形 貌 以及 温 差 应 力 等
方 面进 行 分 析 ，得 出失 效原 因—— 局 部 超 温 导致 材 料 劣 化 引起 开 裂 ，并提 出 了解 决 措 施 。
关 键 词 Leabharlann 乙烯 裂 解炉 炉 管 失效 超 温
中图 分 类 号 ＴＱ０５３．６
文 献 标 识码 Ｂ
文 章 编 号 ０２５４—６０９４（２００７）０６－０３４６－０４
在裂纹 金相 上 没有 观 察到 蠕 变 空洞 ，而蠕 变 产生 的裂 纹是蠕 变 空洞 连接 而 成 的 ，在 裂纹 的前 端 应分 布有蠕变空 洞 。因此 ，本 次分析 的裂纹 不
图 ４ ２ 试 样 沿 壁 厚 方 向金 相 组 织 ×５００
图 ５ ３ 试 样 沿 壁 厚 方 向金 相 组 织 ×５００ 是 炉管长期 蠕变 而产生 的 。
上海赛科 石化股 份有限 责任公 司共有 ８台裂 解炉 ，其 中 １台 １００％ 负 荷 运 行 （其 他 的 炉 子 均 ８０％ 负荷 运行 ），在投 产不 足 ２个 月 时就 被 烧 焦 ， 烧焦后 使用不 长 时间 因故 障 停 车 ，发 现 炉管 多 处 泄漏 ，其 中几 根 出 口管 在 ６ｍ 高 度处 出现 纵 向裂 缝 ，甚 至有的裂成 了碎 片 ；１根进 口管 出现环 向断 裂 。该裂解 炉 系 Ｌｕｍｍｕｓ ＶＩ型 ，炉 管材料 为 Ｍａｎ— ａｕｒｉｔｅ ＸＴＭ，离 心 铸 造 ，工 作 压 力 约 ０．１ＭＰａ。 ＬｕｍｍｕｓＶＩ燃烧 器为炉膛 底部 燃烧 ，辐射 段炉 管设 计 温度 为 １ １２５℃ ，炉管表面 温度 （ＴＭＴ）曾经达 到 １ １１５℃ （炉管 的控制 温度 ）。炉 管设计 寿命 １０ ｈ， 正 常情况下 ，炉 管使 用 ６×１０ ～８×１０ ｈ后 才 出 现 渗碳 、减 薄 、蠕变 而导致失 效¨ 。但 本次 分 析 的炉管使用 不到 ２个 月 就 出现 了 开裂 ，属 非 正 常 破 坏 ，需要 对此进行 分析 。 １ 裂 纹 宏 观 形 貌 分 析
我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况
损伤 状况 ， 期 间很少 有 意外失 效 的情况 发生 ， 因此 相 比较 而 言 ， 我 国 乙烯 裂 解 炉 管 使 用 寿 命 偏 短 。 因此 ， 为 了加强 对 炉管制 造质 量 的管理 ， 进一 步提 高炉 管 的使用 寿命 ， 中 国石 化 在 合 肥 通 用 机 械研 究 院成 立 了 “ 中 国石 化炉 管 质 量检 测 检 验 与评 估
我 国乙烯 裂解炉辐射 炉管的使 用状况
郑显 伟 （ 中 国石 油 化工 股份 有 限公 司 ， 北京 １ ０ ０ ７ ２ ８ ）
摘 要： 通过 对 中国石 化 ｌ ０家 乙烯企 业 开展 乙烯 裂解 炉管使 用 情况调 研 ， 归纳 出我 国乙烯裂 解炉 管 的主 要失 效模 式和 失 效机理 。 经调 研 可知 ， 导致 我 国 乙烯裂解 炉 管失效 的主要原 因是蠕 变和 渗碳 ， 炉 管 失效是 由炉 型结构 、 裂 解原 料 、 炉管、 炉管焊 接件 与静 态 浇铸件 质量 、 生产 运行 中的 问题 以及 安 装 等 多种 因素导致 的。本调 研 凸 显 出我 国 乙烯 裂解 炉管使 用 寿命 短 的严 峻 问题 。 关键词： 乙烯 裂 解 炉 ； 炉管； 失效 ； 使 用状 况
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ： ｅ ｔ ｈ ｙ ｌ ｅ ｎ ｅ ｐ ｙ ｒ ｏ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｕ ｎａ ｒ ｃ ｅ； ｆ ｕ ｎａ ｒ ｃ ｅ ｔ ｕｂ ｅ ｓ ； ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ； ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ｏ ｆ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ
应为 １ ０ ｈ（ １ １ ． ４ ａ ） 。２ ０ ０ ８年起 ， 中国石 化 发 现
ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｅ ｔ ｈ ｙ ｌ ｅ ｎ ｅ ｐ ｙ ｒ ｏ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｕ ｎａ ｒ ｃ ｅ ｔ ｕ ｂ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．
乙烯裂解炉辐射段炉管失效分析
发生穿孔的裂解炉炉管内壁形貌如图3所 示2由图3a可见：内壁穿孔部位存在明显凹坑，
图1炉管穿孔部位示意
收稿日期:2021 -01 -07；修回日期:2021 -04-19。 作者简介:谭玉鑫（ 1985—）,山东省淄博市人，工程师。2008 年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程，现在中 国石化齐鲁分公司烯Q厂负责设备管理工作。电话：0533 7523809,15966957030 ；E - mail: tanyuxin. qlsh@ sinopec. com。
图11炉管拉伸试样断裂后的形貌
由图11可见:此次拉伸机械性能只有参考作 用，原因是材料太脆，总计加工了 3个试样，其中 上面的两个试样均在夹持端，发生在拉伸过程和 夹持承载时断裂,只有第3个试样勉强在标距范 围内断裂。不看数据只看拉伸试验的过程即可发 现材料已经非常脆,难以承受拉伸过程形成的夹 持弯曲载荷。
根据以上分析，可知尽管从金相组织分析裂 解炉炉管碳化物组织老化并不严重，但是机械性 能检测炉管的机械性能已经严重下降，室温拉伸 强度降低，尤其是塑性指标下降明显，使得材料变 得更脆。
由于裂解炉炉管工作条件苛刻,外壁接触炉 膛高温氧化气氛，温度高达1 100 g,而内壁则为 高温氧化-渗碳的复杂环境。因此内、外壁形成 的致密且与炉管基体结合良好的C'O3 - SiO,氧 化膜的保护对炉管的长周期安全运行具有至关重 要的作用。此次炉管在烧焦期间发生穿孔的主要 原因是炉管内壁的氧化物保护膜发生脱落，失去 了保护作用的炉管材料在高温下抵抗含固体焦炭 颗粒的烧焦气体的冲刷能力非常弱⑵。而氧化 膜脱落与几方面因素有关:①随着炉管服役时间 的延长，炉管内壁的氧化膜越来越厚，氧化膜内部 的内应力也越来越大而使其进入容易脱落状态； ②氧化膜与炉管基体之间的热膨胀系数的显著差 别，使得在烧焦期间温度发生剧烈变化时氧化膜 更容易脱落;③该炉管材质成分中Si的含量明显 低于标准规定的含量，使得C'O3氧化膜与炉管 基体之间形成SiO2粘附层变少，使得氧化物保护 膜容易脱落⑶；保护膜脱落后炉管在高碳活度气 氛中由于渗碳会分解出金属离子导致金属粉化、
图1炉管穿孔部位示意
收稿日期:2021 -01 -07；修回日期:2021 -04-19。 作者简介:谭玉鑫（ 1985—）,山东省淄博市人，工程师。2008 年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程，现在中 国石化齐鲁分公司烯Q厂负责设备管理工作。电话：0533 7523809,15966957030 ；E - mail: tanyuxin. qlsh@ sinopec. com。
图11炉管拉伸试样断裂后的形貌
由图11可见:此次拉伸机械性能只有参考作 用，原因是材料太脆，总计加工了 3个试样，其中 上面的两个试样均在夹持端，发生在拉伸过程和 夹持承载时断裂,只有第3个试样勉强在标距范 围内断裂。不看数据只看拉伸试验的过程即可发 现材料已经非常脆,难以承受拉伸过程形成的夹 持弯曲载荷。
根据以上分析，可知尽管从金相组织分析裂 解炉炉管碳化物组织老化并不严重，但是机械性 能检测炉管的机械性能已经严重下降，室温拉伸 强度降低，尤其是塑性指标下降明显，使得材料变 得更脆。
由于裂解炉炉管工作条件苛刻,外壁接触炉 膛高温氧化气氛，温度高达1 100 g,而内壁则为 高温氧化-渗碳的复杂环境。因此内、外壁形成 的致密且与炉管基体结合良好的C'O3 - SiO,氧 化膜的保护对炉管的长周期安全运行具有至关重 要的作用。此次炉管在烧焦期间发生穿孔的主要 原因是炉管内壁的氧化物保护膜发生脱落，失去 了保护作用的炉管材料在高温下抵抗含固体焦炭 颗粒的烧焦气体的冲刷能力非常弱⑵。而氧化 膜脱落与几方面因素有关:①随着炉管服役时间 的延长，炉管内壁的氧化膜越来越厚，氧化膜内部 的内应力也越来越大而使其进入容易脱落状态； ②氧化膜与炉管基体之间的热膨胀系数的显著差 别，使得在烧焦期间温度发生剧烈变化时氧化膜 更容易脱落;③该炉管材质成分中Si的含量明显 低于标准规定的含量，使得C'O3氧化膜与炉管 基体之间形成SiO2粘附层变少，使得氧化物保护 膜容易脱落⑶；保护膜脱落后炉管在高碳活度气 氛中由于渗碳会分解出金属离子导致金属粉化、
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乙烯裂解炉炉管损伤磁滞曲线
由于炉管的初始状态是非磁性
的，磁滞特性评估仅仅在已服 役炉管，通过损坏和无损的方
式被计算出来。两种不同服役
期的炉管被用于研究：(a) 2年； (b) 2年半。从服役炉管上切割 环形试样，并测量其磁滞回线。 表1为测量的磁滞参数。从表1 可以清楚看到：随着服役时间 的延长，所有的磁滞参数都将 变化。
高温下在炉管外壁发
生氧化，外壁表层及
近表层形成多种氧化 物：铬、镍、铌、钛 和硅等氧化混合物。
炉管高温蠕变空洞
高温及热冲击等变动应变 循环所致的蠕变空洞
Cr-C-O化物在高温时稳定图表
Cr23C6, Cr7C3, and Cr3C2三种碳化物在不同温度下的稳定图表.
碳化物在高温形成的标准自由能
材料铁磁磁滞回线不同时期磁畴壁运动
微观结构和机械应力影响磁滞回线形状
材料微观组织结构对材料磁
材料所遭受应力对材料磁滞
滞回线特征参数的影响
回线特征参数的影响
微观结构和机械应力影响纵向磁致伸缩
材料微观组织结构和机械应力对材料纵向磁致伸缩的影响
磁滞特征参数无损评估新技术
磁滞回线的不同参数：剩磁Br, 矫顽力Hc, 饱和磁感应强度
Hc max
Hc min
A
B
C
(damage)
5-20毫米钢板的磁性和机械性能参数对比表
Mechanical properties Steel type Magnetic properties, Нс A/см
В
МПа
0.2
МПа
, %
Нс0
НсТ
НсВ
Нсуст.
Ст3 МСт3 ВСт3кп ВСт3сп5 09Г2С 09Г2С-12 10ХСНД Ст20 17Г1С
料的机械性能降级。
低碳钢的磁滞回线特征参数
高碳钢的磁滞回线特征参数
矫顽力测量设备
矫顽力测量设备操作简单, 数据采集仅仅需要
8秒钟: 1. 手持式计算机与矫顽力主机通过无线通 讯连接; 2. 软件能立即储存测量结果并显示给操作 人员: • 数据图表
•
• • •
彩色分布
柱状图 平均值 离散值
•
手持式计算机能够发送数据至服务器用
管材料的机械性能必然因材料的微观组织结构特征改变而降级，同时也
改变了材料的磁滞特征参数，因其非常敏感于材料的微观组织结构的变 化。相反，材料的磁滞回线形状特征参数的变化也反应了材料内部微观 组织结构特征的变化：可以通过刻画和评估材料的磁滞行为，以一种无 损的方式，来识别材料的微观结构变化和监测材料机械性能的降级。
寿命。除渗碳和氧化外，服役辐射段炉管也遭受着蠕变损伤、热应力和
热疲劳等多种形式的破坏。这使炉管内、外壁表层及近表层甚至内部微 观组织结构、化学成分和应力状态发生变化，引起炉管材料的磁滞特性 参数发生改变，研究表明：采用材料的磁滞特性评估技术对乙烯裂解炉 炉管损伤程度进行无损评估是可行的。
材料的磁滞行为
件部位出现此类破坏最多。如图表面为
氧化脱碳组织，微裂纹沿晶分柿，断裂 裂纹有沿品和穿晶两种。
乙烯裂解炉管损伤形式及机理
4、渗碳：在高温状态下，炉管内部焦和碳的积累，使金属组织中含碳量 增加。炉管的渗碳，导致炉管内壁材料组成发生变化。碳化物含量增 大，一方面，增加了炉管内表面的脆性；另一方面，由于碳化物的物 理性能不同于炉管材料本身的物理性能，在操作升降温时，由于膨胀 不同，在渗碳层附近组织界面将产生应力。该应力反复作用，将导致 炉管内壁微裂纹的产生、长大和扩展。在氧化腐蚀、应力的作用下， 裂纹扩展速度加快，最终造成炉管断裂失效。
乙烯裂解炉炉管损伤磁滞曲线
在服役两年的炉管试样上，去除1毫米外表层，重新测量磁滞回线，
没有可测量的磁滞回线，这表明：仅仅外表层具有磁性；但是，在
服役两年半炉管试样上，去除1毫米外表层，重新测量磁滞回线，得 到了如图3所示的磁滞回线。
乙烯裂解炉炉管损伤磁感应强度与磁化频率曲线
循环加载下材料微观结构变化
持续循环加载导致脉状位错结构密度增加，导致结构处于 一个弹性的不稳定状态，驱使脉状位错结构转化为持久稳 固的滑移带（PSBs）结构： a 计算机模型：PSBs有一个类似阶梯状结构； b 扫描电镜图片；
循环加载和高温下材料微观结构变化
刃型位错滑移过程
循环加载和高温下材料微观结构变化
6,0 6,0 6,5 7பைடு நூலகம்0 9,5 10,5 12,5 12,0 14,0
5,8 6,0 6,5 6,8 9,5 10,0 12,0 11,5 14,0
MA多参数磁性分析设备
同时测量多组磁滞回线特征参数：矫顽力、剩磁、最大微分磁导率、
初始微分磁导率、磁滞损耗及松弛参数等多组磁性参数来分析评估材
到19%。2年半服役期辐射段炉管的最外层和最内层Cr浓度接近于8%。
炉管内壁渗碳及外壁氧化
在高温下炉管外表面会形成氧化物。Cr氧化物的
形成会降低炉管外层的Cr含量，并分解碳化物， 将导致炉管近外表层自由晶界碳化物；炉管内壁
石脑油裂解产生的分散碳原子与Cr原子相互作用，
形成碳化物并随晶界碳化物增长；达到临界尺寸， 碳化物作为金属粉尘从炉管表面析出。金属粉尘 和Cr损耗将导致炉管内近表层碳化物分解，将导 致自由晶界碳化物；因此，炉管外表面氧化和内 表面渗碳将导致炉管内外表层形成贫Cr区。2年服 役炉管外表面高的Cr损耗表明：初始服役期，相 对于渗碳过程，氧化过程是主要的。但是，通过 对2年半的服役炉管观测，随着服役期的延长，氧 化过程变得缓慢。
图所示为服役2年的炉管内外表面光学显微照片。它表明：炉管内部自由晶界 碳化物距离内壁边缘150μm，距离外壁边缘250μm；扫描电镜能谱分析显示： 初始试样晶界富Cr碳化物（Cr3C7）在经过服役暴露后转化成粗大碳化物 （Cr23C6）。通过能谱分析仪在炉管内壁和外壁边缘同时也检测到贫Cr区域；
发现2年服役期辐射段炉管的最外层Cr浓度下降到11%，而最内层Cr浓度下降
乙烯裂解炉炉管早期损伤磁性无损评估与
寿命预测技术
北京康坦科技有限公司 Beijing Constant Technology, Inc
乙烯裂解炉炉管
裂解炉主要由辐射段，对流段，燃烧器，吹灰器，集烟罩， 引风机，废热锅炉，钢结构等部分组成；其中辐射炉管和
对流段炉管为裂解炉的关键部件：
1、裂解炉辐射炉管均选用高铬高镍合金钢管，Cr25-Ni20材 质的炉管，其最高使用温度为1000℃：Cr25．Ni35型材料的 炉管，其最高使用温度为1 100℃；Cr35-Ni45型材料的炉管， 其最高使用温度为1 150℃。
乙烯裂解炉炉管损伤评估技术
在碳氢化合物裂化期间，炉管内壁堆积的焦炭被蒸汽和空气的混
合物燃烧掉；辐射段炉管所承受的最高温度为1100 °C，最高压力为1 Mpa；在整个过程中，炉管内壁表面将发生渗碳：碳原子与不同的合金 元素发生交互作用；由于高温环境，炉管外壁发生氧化；渗碳和氧化将 改变炉管材料近表层区域的微观组织结构和化学成分，从而降低炉管
开裂断口处的
微观蠕变裂纹
和孔洞
HK40炉管的蠕变断裂
乙烯裂解炉管损伤形式及机理
2、热疲劳损伤：裂解炉运行期间承受管壁温差产生的热应力和升降温过程 中的温度、压力变化产生的应力变化及炉管重力、弯距和约束等交变热 应力，产生热疲劳----典型特征是龟裂；影响热疲劳的主要因素是热交替 的次数、炉管温度和应力状态及变化的幅度和频率。实践中，炉管弯头 部件发生热疲劳裂纹的较多，分析认为，弯头一般较厚，应力状态复杂 且其静态铸造组织致密度不如离心铸造管，故容易出现热疲劳龟裂。
350 310 400 410 470 500 540 420 520
210 220 235 245 325 350 400 230 350
22 26 24 26 21 21 19 24 23
1,7 2,0 2,4 2,8 3,0 3,5 4,0 3,8 4,0
5,0 5,0 5,5 5,5 7,5 8,5 11,0 8,0 10,0
效总数的50％，其它失效的形式依次为：高温蠕变变形和开裂(65起，占29％)，热冲击开
裂(24，占10％)，热疲劳开裂(20，占9％)；对于弯头等管件，由热疲劳歼裂引发的失效 共14起，约占失效总数的近50％，其次为蠕变开裂失效共9起，占总数的31％。
乙烯裂解炉管损伤形式及机理
裂解炉辐射段炉管发生的故障或事故，主要集中在以下几个方面： 1、 蠕变破坏：材料长期在高温应力状态下使用会产生蠕变变形，炉管 发生蠕变破坏的主要特征为：1)在直径或轴线方向上产生塑性变形； 2)管壁出现较多以轴向为主的蠕变裂纹；3)显微组织变化：蠕变裂纹 基本是沿晶裂纹．裂纹发生前出现晶界碳化物，呈较耗的不连续网 链状，二次碳化物粗化，产生蠕变孔洞和显微裂纹等；4)蠕变孔洞；
乙烯裂解炉炉管损伤磁滞特征参数 无损评估技术
乙烯裂解炉炉管损伤评估技术
目前乙烯裂解炉炉管损伤评估技术只能采取现场切割试样，在实验 室分析炉管损伤程度，多属破坏性的评估技术。磁滞无损评估技术能在 炉管检修期间，能现场测量并快速评估炉管的损伤程度，无须切割炉管， 将具有很高的经济效益和社会效益。 乙烯裂解炉炉管在高温、高碳氛围等恶劣环境下服役的过程中，炉
乙烯裂解炉管损伤形式及机理
5、冲刷与管壁减薄： 炉管内、外壁长期在高温下运行下，均形成氧化皮，
由于氧化物与基体之间结构和性能有所差异，在升、降温过程中氧化
皮发生脱落，当含有这种脱落物的流体介质高速流入(裂解炉炉管内气 体流速为l 5 0 m／S左右)管内时，对炉管材料冲刷及摩擦造成机械操作
损伤和脱落，使管壁(包括弯头)壁厚减薄，局部减薄严重时会导致炉管
2、裂解炉对流段多组盘管组成，材质为SA312-TP321H；