制氫轉(zhuǎn)化爐豬尾管爆裂分析

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1、制氫轉(zhuǎn)化爐豬尾管爆裂分析摘要：針對(duì)典型制氫裝置轉(zhuǎn)化爐出口豬尾管，通過(guò)各種理化檢測(cè)分析手段闡述其爆裂的主要原因，并提出嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行參數(shù)，避免爐管因高溫蠕變?cè)斐蔂t管破壞?！　￡P(guān)鍵詞：豬尾管；爆裂；蠕變；失效?！　∧碂捰蛷S制氫裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為50000Nm3/h。1995年7月投入運(yùn)行。轉(zhuǎn)化部分采用A、B雙套工藝流程。制氫轉(zhuǎn)化爐爐管為國(guó)產(chǎn)離心鑄造高溫合金鋼管（材質(zhì)為ZG40Cr25Ni35Nb），規(guī)格為Φ123mm×10mm×14160mm。出口豬尾管為進(jìn)口無(wú)縫合金管材（材質(zhì)為Incoloy800H），按圖紙整根冷彎成型，規(guī)格

2、為Φ32mm×3.5mm。2008年5月，B套轉(zhuǎn)化爐爐管整體更換，至2011年11月泄漏著火時(shí)，累計(jì)運(yùn)行27528h?！　⊥t檢查發(fā)現(xiàn)B套轉(zhuǎn)化爐同一列爐管中有六根爐管（1#，2#，3#，6#，7#，8#）在出口豬尾管焊口下方200mm左右發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)約80mm的穿透性裂口，開(kāi)裂處均伴有鼓包，如下圖0-1。7#出口豬尾管出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)約100mm長(zhǎng)的裂口，如下圖0-2?！　「鶕?jù)事故現(xiàn)場(chǎng)情況分析，發(fā)生著火的直接原因是7#出口豬尾管爆裂，氫氣大量泄漏，在高溫條件下產(chǎn)生爆燃。火焰對(duì)附近轉(zhuǎn)化爐管表面灼燒，造成爐管根部不同程度的穿透裂紋。為查明豬尾管

3、失效真實(shí)原因，我們對(duì)爆裂的豬尾管做了進(jìn)一步理化分析?！　?宏觀、低倍分析　　1.1豬尾管取樣　　對(duì)7#豬尾管進(jìn)行外觀檢查，管子外徑為φ36.7mm，明顯變粗。繼而對(duì)所有的140根豬尾管進(jìn)行外觀尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)外徑均有不同程度的增大，其中發(fā)現(xiàn)5根豬尾管外徑增大明顯，尺寸在φ34.5―φ37之間，且管子彎曲變形嚴(yán)重。選擇爆裂的7#豬尾管和外徑變粗最明顯的120#豬尾管分別取一段試樣命名為試樣1、試樣2，如圖1-1，進(jìn)行理化分析。　　1.2宏觀、低倍分析　　試樣1爆口長(zhǎng)100mm，中間最寬處有5～6mm，形狀呈魚(yú)嘴形；主爆口旁還有些小裂

4、縫，見(jiàn)圖1-3。試樣1爆口對(duì)面外表面可見(jiàn)有大量凸起泡存在，并有細(xì)小裂紋沿縱向延伸；剖開(kāi)管子截面，可以看見(jiàn)，在爆口對(duì)面管壁上有多條徑向裂紋，已經(jīng)基本穿透管壁，經(jīng)臺(tái)鉗夾緊加壓后管子完全開(kāi)裂，見(jiàn)圖1-4。試樣2管壁上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)徑向裂紋存在，見(jiàn)圖1-5?！　?化學(xué)分析　　豬尾管的材質(zhì)（Incoloy800H）是一種鎳鐵鉻耐蝕合金，其中含F(xiàn)e46.0%，含Ni30.0%～35.0%，含Cr19%～23%，含C不超過(guò)0.1%，另還含少量的Mn、Si、Cu、Al、Ti等合金元素。由于該合金中Ni不低于30%，（Fe+Ni）不低于60%，一般亦稱(chēng)

5、其為鐵鎳基耐蝕合金?！　脑嚇?端部切取30×30mm管壁樣品，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2-1。可見(jiàn)，爐管材質(zhì)的化學(xué)成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金成分標(biāo)準(zhǔn)?！　?金相分析　　在試樣1、2中間爆口（脹粗）處，切取橫向金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光和腐刻后在顯微鏡下觀察分析?！　≡嚇?爆口處，爐管壁明顯減薄，管壁內(nèi)存在大量與爆口表面平行且沿晶分布的蠕變裂紋和空洞，蠕變裂紋和空洞邊緣有氧化層存在，晶內(nèi)、晶界有大量析出碳化物，見(jiàn)圖3-1?！　≡嚇?金相樣品取自送檢管子的中間處。管壁內(nèi)存在徑向蠕變裂紋和空洞，

6、晶內(nèi)、晶界有析出碳化物，這與試樣1端部的管壁金相組織是相同的，見(jiàn)圖3-2?！　×硗猓谠嚇?、2內(nèi)、外表面裂紋的密度都比較大，形成龜裂狀態(tài)，并從裂紋邊緣看已經(jīng)出現(xiàn)了氧化腐蝕。熱疲勞和高溫氧化是材料發(fā)生龜裂的主要原因，由于龜裂的出現(xiàn)，加劇了材料的蠕變破壞。因此，出口尾管的破裂是由蠕變損傷和熱疲勞損傷綜合作用所致。　　4掃描電鏡分析　　取試樣1爆口表面和爆口對(duì)面處由外力打開(kāi)的裂紋斷口表面，利用掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察和元素成分能譜分析，見(jiàn)圖4-1?！　”诒砻妫河捎谠嚇?爆口是在高溫下破裂的，其爆口表面已經(jīng)嚴(yán)重氧化，爆口表面所含

7、的元素主要為C、O、Cr、Ni、Fe、Al等；并仍可以看到管子沿晶開(kāi)裂的形態(tài)?！　×鸭y斷口表面：由于試樣1裂紋斷口在高溫下并沒(méi)有完全破裂，因此，裂紋斷口表面的各處有所不同，原來(lái)已經(jīng)形成與內(nèi)外管壁連通的蠕變裂紋處成為斷口后，斷口表面（圖4-1中a區(qū)）與爆口表面的相貌與所含元素都基本相同。而管壁沒(méi)有蠕變裂紋或蠕變裂紋很細(xì)小處成為斷口后，斷口表面（圖4-1中b區(qū)）沒(méi)有受到嚴(yán)重的高溫氧化，因此，可以看到很清晰的沿晶斷裂表面；雖然主要元素的種類(lèi)與爆口表面基本相同，但O的含量明顯地減少，這說(shuō)明了該處沒(méi)有受到高溫氧化或摘要：針對(duì)典型制氫裝置轉(zhuǎn)

8、化爐出口豬尾管，通過(guò)各種理化檢測(cè)分析手段闡述其爆裂的主要原因，并提出嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行參數(shù)，避免爐管因高溫蠕變?cè)斐蔂t管破壞?！　￡P(guān)鍵詞：豬尾管；爆裂；蠕變；失效?！　∧碂捰蛷S制氫裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為50000Nm3/h。1995年7月投入運(yùn)行。轉(zhuǎn)化部分采用A、B雙