裂解炉混合器裂纹分析及解决

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裂解炉混合器裂纹分析及解决

来源:中沙（天津）石化设备管理部，天津 300270 | 作者:史宝明、梅琼 | 发布时间: 2024-03-27 | 212 次浏览 | 分享到:

（中沙（天津）石化设备管理部，天津 300270）

摘要：中沙裂解炉混合器本体发生大面积开裂，通过对失效混合器本体的宏微观分析，并结合裂解炉原料系统运行工况，找出了混合器本体开裂的主要原因，通过优化制造工序及工艺运行数据，解决了混合器本体易开裂及裂解炉无法长周期运行的问题，提高了裂解炉运行可靠性，作为典型故障模式成功处理案例，为裂解炉的长期特护管理工作指明了方向。

关键词：裂解炉混合器裂纹开裂晶间敏感

前言

中沙（天津）石化有限公司裂解炉共12台裂解炉，除单台年产20万吨乙烯炉为2021年投用，其他裂解炉为2010年1月原始开车投用，单台炉能力10万吨乙烯/年，采用ST/Lummus合作的SL-1型炉。在2022年3月开始，重质原料裂解炉（5#）原料蒸汽混合系统陆续出现裂纹穿孔问题（图1）导致停炉检修。

图1.1混合器整体检测a与局部裂纹b

1 混合器介绍

稀释蒸汽（DS）来自稀释蒸汽发生系统，通过DS总管进入炉区，稀释蒸汽（DS）在稀释蒸汽过热段（DSSH）过热后，通过混合器（单炉6台）与外混合喷嘴中的进料和稀释蒸汽（HC+S）混合，实现进料的完全汽化后排出。

混合器内部介质为烃类及稀释蒸汽，操作压力范围为（0.33-0.48）MPaG，操作温度范围(560-610)℃。

混合器立式安装，本体结构如图2-22，筒体及接管法兰材质为ASME A240 TP347H，筒体尺寸508mm，厚度16mm，进出口尺寸均为DN150，法兰压力等级300lb，设计压力0.8Mpa，设计温度 650℃，设计寿命设计按15年考虑。

图2-1混合器本体结构图图2-2混合器焊缝分布图

停炉检修期间对该台裂解炉其他混合器进行了NDT（无损检测）排查并水压试验，结果如图2-2及表2.1。

表2.1 原始裂纹缺陷特征及分布

注1：缺陷特护主要以裂纹为主，且表现为同一焊道多段裂纹出现，裂纹总和约为焊道长度10%，且偶有未熔、气孔情况。

注2：混合器水压实验压力，经分析小组讨论并依据SHS03001-2019《管式裂解炉维护检修规程》对流段管试压规定试压。部分裂纹未裂透，PT（表面液体渗透）检测未发现裂纹特征，但X光（射线）检测发现存有内部裂纹，水压显示合格。

2 原因分析

为更准确判断裂解炉混合器裂纹发生的原因，开展如下两项重点工作：

1）全面排查裂解炉原料混合系统，排查隐藏缺陷。

2）收集失效管段缺陷特征，分析裂纹产生原因，制订长周期可靠性措施，。

2.1 原料混合系统排查

裂解原料经裂解炉排烟模块（管系1）进入裂解炉对流段，经过两段预热，两段混合（管系2）后再次过热（管系3）进行辐射炉膛（管系4）。本次排查数据不包括管系2中混合器本体部分。排查数据见下图表：

图3-1原料混合模块简图及排查数据

从原料混合系统排查情况来看，裂解炉对流段管系统运行正常，未发现明显缺陷，本次裂解炉混合器本体缺陷为单一事件，混合器裂纹缺陷可定义为典型问题分析并处理，重点开展本炉型混合器裂纹分析原因，及时采取有针对性措施，同时开展相同炉型同位置的缺陷排查跟踪治理工作。

2.2 检验与分析

宏观检验

混合器本体内壁及外部裂纹检查，裂纹由内避起裂沿厚度方向扩散，共观察到30条裂纹，其中穿透性裂纹8条，未穿透裂纹22条，垂直于焊缝裂纹共28条

图3-2 混合器焊道本体内壁及外部裂纹

混合器本体筒体测厚16mm,与设计厚度一致，内表无明显凹坑及腐蚀痕迹，内表焊缝有内凹、凸起及焊瘤等焊接缺陷，初步确认单面焊双侧成形导致的成型缺陷，为原始制造缺陷。

图3-3内表焊缝成型缺陷

室温拉伸及冲击试验

对混合器本体取样化学分析，混合器锥体及筒体母材化学成分均符合AMSE A240对347H材质的成分要求。

对混合器本体取样进行室温拉伸试验，试验结果见表3.2，混合器锥体和筒体母材屈服强度、拉伸强度和断后伸长率均符合AMSE A240对347H材质的室温拉伸性能要。

表3.1 混合器本体化学成份分析（wt.%）表3.2 室温拉伸试验结果

对混合器本体母材及焊缝附近进行冲击试验，母材与焊缝附近材料的冲击吸收功相当，仍具有一定的冲击韧性。

晶间腐蚀敏感性试验

对混合器锥体和筒体母材取样开展预先固溶处理，做对比实验。

试件预先处理：试样1 进行20小时晶间腐蚀试验（铜-硫酸铜-16%硫酸溶液），试样2固溶处理。弯曲测试：晶间腐蚀试样1均发生开裂，原样均未裂。固溶处理试样2和原样均未开裂。

图3-4图3-5金相组织（主裂纹及细小裂纹）

金相观察及能谱分析

通过扫描电镜观察如下图：混合器锥体和筒体金相组织均为奥氏体，晶界有碳化物析出;观察到混合器锥体和筒体有由内壁向外壁扩展的裂纹，裂纹延晶界扩展，有分叉，焊缝及焊缝热影响区发现裂纹，表现为在主裂纹附近观察到大量沿晶的细小裂纹，整体呈龟裂状。

EDS能谱分析无Cl元素成份，分析显示，组织均为奥氏体，晶界上有细条状析出物，晶内有颗粒状析出物。晶间析出物为碳化铬和碳化铌;晶内颗粒状析出物为碳化铌。晶间碳化物析出，表明混合器材料发生敏化。

图3-6典型析出物微区EDS能谱分析结果

综合试验分析结果

混合器材质TP347H标准组织为奥氏体，晶间界有碳化物析出，为典型敏化组织，且晶间腐蚀敏感性试验结果也表明材料发生敏化，混合器壁厚无明显减薄，焊道及焊缝热影响区发现裂纹，表现为在主裂纹附近观察到大量沿晶的细小裂纹，整体呈龟裂状。开裂与焊接接头相关，主要集中在焊缝或热影响区等应力集中部位。

内表焊缝有内凹、未焊透及焊瘤等焊接缺陷，内壁成型不良、焊后余高大，与筒体母材相比，焊接接头局部应力集中，未焊透会严重降低焊缝的疲劳强度。经过12年服役，混合器焊接残余应力衰减，应力较小，因此扩展较慢，观察到多处发生开裂且大部分裂纹均未穿透，观察原始缺陷焊道B3B4、A2A3及C2C3，均为应力较集中的部位，在冷热升降温过程中，热应力导致的变开会加速延迟裂纹的扩展。

混合器材质为TP347H稳定化奥氏体不锈钢，服役温度为450～700℃，处于不锈钢敏化温度区间（图3-7 斜线部分），材料敏化与温度和时间相关，混合器运行期间服役温度区间大致相当，随着服役时间增加，敏化程度逐渐增加。

图3-7奥氏体不锈钢晶间腐蚀趋势

超温加速敏化为微观结论，长期处于服役温度区间会导致晶间腐蚀敏感开裂。应力开裂为宏观结论，应力集中会加速延迟裂纹或敏感开裂的扩展。

结论分析探讨

综合以上分析，超温加速敏化和应力开裂是混合器本体发生大面积开裂的主要原因。下面这两个方面深入讨论。

混合器入口稀释蒸汽（DS）由管网（190℃）引来后经过对流段模块三预热（见图3-1中管系2），已预热后温度（工艺包要求不大于617℃），而入口稀释蒸汽（DS）实际运行温度600-700℃，偶有750℃运行情况出现，混合器入口温度明显偏高。

混合器入口（HC+S）温度情况，年趋势图实际运行温度：420-500℃。混合器出口温度情况（趋势图）：450-520℃，高于工艺包最高温度453℃。

图3-8入口蒸汽温度

图3-9 入口原料温度

图3-10出口混合温度

混合器入口稀释蒸汽（DS）由管网（190℃）引来后经过对流段模块三预热（见图3-1中管系2），已预热后温度受控于裂解炉裂解深度。

长期以来重质炉原料初馏点低组份偏轻，明显低于设计值，对流段模块三操作温度高于需求量，造成混合器运行温度偏高，加剧材料晶间腐蚀，材质劣化使混合器使用寿命降低。

应力开裂，混合器由上封头、中间筒体和下锥体组成，采用ASME SECⅡ A-358/A358M 高温用电熔焊奥氏体铬镍合金钢管焊接而成，即中间筒体及锥体为有缝管，会留有组对残余应力。侧进高温DS蒸汽（600-700℃）热流会对弯头急转处产生流体冲蚀及应力集中（图），冷加工后未采取固熔处理的部件硬度可达HB350以上，所以在制造过程中，对急转部件，如封头、锥体、焊接件及焊接道采取稳定化及固溶处理，降低硬度。

图3-11本体应力集中部位图3-12固溶处理曲线

3 实施措施

3.1确定实施方案

根据分析结论，形成以下3项实施方案

第一项，整体更新混合器，应力集中部位采取稳定化固溶处理。

第二项，优化原料配比，适当降低管网DS初始温度，避免混合器长时间处于敏化温度区间。

第三项，停炉排查同型号裂解炉混合器，及时维护或更新混合器

3.2方案实施

母材在加工前就进行稳定化，制造过程包含固溶处理过程，固溶曲线参考ASME SECⅡ A-358/A358M，1100℃保温1小时水冷的固熔处理（图3-12）。尤其是封头及封头附近焊道部分，加工后硬度验收标准：1区2区3区及4区，要布氏硬度185HB以下（图3-13）。同时在接头焊接过程中应确保单面焊双面成型质量，避免出现焊瘤、内凹及未焊透情况发生。