重催CO过热器炉管失效分析

第27卷第6期腐蚀与防护Vol. 27 No 62006年6月corrosion & protectionJune 2006失效分析重催CO过热器炉管失效分析刘钧泉,熊文英,夏延燊21.华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州510640;2.中石化广州分公司,广州510726)摘要:材质为1 CrlMov的重催CO高温加热炉管,在服役25000h后发生胀管破裂。采用电镜、X射线、金相等测试技术对失效的原因进行分析后,判断本起失效的原因为长时间低幅度超温运行导致的蠕变开裂关键词:加热炉;12 CrI Mov;失效分析;高温蠕变中图分类号:TG172文献标识码:B文章编号:1005-748X(2006)06-0317-03FAILURE ANALYSIS OF SUPERHEATER TUBES IN CATALYTICREFORMING CARBON MONOOXIDELIU Jun-quan', XIONG Wen-ying, XIA Yan-shen(l. College of Industry Equipment and Control Engineering in South China University of Technology, Guangzhou 510640, China2. China Petroleum &. Chemical Corpration Guangzhou Branch, Guangzhou 510726,ChinaAbstract: The superheater tubes for catalytic reforming CO made of 12Crl MoV steel were broken after being usedfor 25000 hours. The reason of failure was analyzed by TEM,x-tallographical examination. It isconcluded that this failure was caused by creep and cracking at a relatively high temperature for a long time.1概况为30t/h,实际产蒸汽量为20t/h左右。该过热器投入使用约2500h,已有多根管子先后破裂某石化公司的重催CO高温过热器炉管采用12Cr1MoV制造,管径尺寸为38mm×4mm。加热2检测及结果器设备结构如图1所示针对本起失效,采用宏观形貌观察、垢层能谱分过热蒸汽高温过热器水包析、Ⅹ射线对垢层的物相分析、金相观察以及常温拉伸实验测试方法对失效管件进行检测(1)宏观形貌观察失效管件鼓胀破口处的形>烟气貌如图2所示。管件沿轴向发生胀破,破口周围剥去氧化层后可见许多平行于轴向的未穿透的裂纹低温过热器形貌如老树皮。破口边缘粗糙、不平整。轴向裂纹和破口已经长锈。鼓胀处内表面膜层厚约为2mm,如图3所示。对未胀破的管件的管径及壁厚进行测炉膛量,发现其管径普遍胀大,除去内外膜层后余下金属图1重催CO加热设备结构基材厚度约为2~3mm。图中水包中的水经过水加热器加热到约100C(2)垢层分析炉管外表面附有膜层,厚度约左右后,进入低温过热器端加热成饱和水蒸汽,然后为0.2mm。对外膜层进行能谱分析,主要元素为经过高温过热器使饱和蒸汽加热为过热蒸汽。炉膛铁、中国煤化工甲、锰等元素温度约为1077℃,高温过热器炉管内蒸汽温度为CNMH〔密膜,这层垢膜坚硬而445℃,管内压力为3.6MPa。出口端设计产蒸汽量脆厚度一般在1~2mm左右,有些部位厚度达到2.5mm,能谱分析这层物质主要成分为铁元素,X收稿日期:2005-08-08;修订日期:2005-09-09射线衍射分析表明这层黑色膜的主要组成为FeO刘钧泉等:重催CO过热器炉管失效分析2形貌如老树皮的外表面4管件胀破处附近显微组织,杰图3内表面垢层约2mm图5管径胀大的管件显微组织和Fe3O机对管径胀大但未破裂的两管件(编号分别为1#和(3)材质成分分析用直读光谱对胀破管件的2)进行拉伸实验,结果见表2。表中同时给出正常成分进行分析,并与GB5310标准值进行比较,结果的12Cr1MⅤ材料在20C和550℃时的拉伸性见表能,GB5310-1995《高压锅炉用无缝钢管》规定的表1胀破管件主要成分管炉管没有发生胀破失效,但其抗拉强度远低于正项目(%下限值也列于表2以作比较。由实验结果看出,尽常的12 CrlMov的强度,甚至低于规定的下限值破管件0.040.190.5990.270.06800影彩身25~0.15~表2拉伸实验结果比较0.150.370.71.200.350.3抗拉强度屈服强度伸长率项目MPa表1可见,C、V元素显著低于标准值,其它主1#管件365255要元素在标准值范围内。2#管件(4)显微组织分析在胀破管件破口附近沿管20℃时的正常值径方向切一剖面,观察其显微组织,结果见图4。同550C时的正常值GB5310-1995规定的下限值470~640≥25521时对尚未胀破的管件切取试样,同样沿管径方向切剖面进行金相观察,结果见图53失效类型和原因分析从图中可以看出,胀破处附近的组织特征为晶粒大小不均,部分晶粒粗大,晶界较粗,珠光体区域本案例中多根炉管使用三年即发生破裂现象内碳化物已明显分散,沿晶界析出并成小球体。球实际寿命低于设计寿命,属提前失效现象。在温度化等级为中度球化。未胀破管件的晶粒尚较均匀,和中国煤化工生爆管失效的类型常但某些晶界较粗观察到珠光体内的碳化物部分球有口CNMHG生破口,其宏观形貌常化,其球化等级为轻度球化。为撕裂状韧性口爆管口多呈喇叭状2],边缘锋(5)拉伸实验测试按照GHB228-1987《金属利,破口壁减薄,有很大的塑性变形,这一类型的失拉伸试验方法》,在常温下用CM-15504电子拉伸效是短期大幅度超温的结果;另一类失效是长期处318刘钧泉等:重催CO过热器炉管失效分析于超温幅度不大旳情況下运行,管材蠕变变形过量蒸气使FeCr合金的髙温氧化显著加速,内壁氧而导致爆裂,其破口具有蠕变开裂的特征,本起失效化膜层不断增厚。氧化膜的导热系数仅为母材金属宏观形貌观察到的多条平行于轴向的小裂纹伴随—的十几分之一,因此管子的传热性能恶化,尽管管内个边缘粗糙的裂口,外表不平整呈老树皮状的形貌蒸汽温度为445C,但由于管内壁有达2mm厚导热属于典型的过量蠕变变形失效_3性差的氧化层,管外壁的温度完全可能超出原设计虽然各类金属材料在高温和应力条件下服役的温度,这就使加热管蠕变速率增加,提前发生蠕变时,或多或少会发生蠕变现象,但一般来说,当操作变形过量,在管內压力作用下出现破管。温度不超出设计温度时,这种蠕变变形速度十分缓4结论慢,总的蠕变量在材料的蠕变极限之内,其值是很小的。根据《工业金属管道设计规范》(GB50316(1)本起提前失效属于过量蠕变导致的开裂失2000,设计温度是按每工作1000,管道变形不超效。过0.01%的要求来选定的。换算为25000h,总变形(2)造成过量蠕变的原因是长期低幅度超设计量应不超过0.25%。观察失效的管件,变形量远远温度运行导致材料珠光体球化,抗拉强度下降。超过此值。如此之大的蠕变量只有在操作温度高于3)引起外管壁超温的原因是管内壁在高温水原设计温度下才可能发生,所以失效的直接原因可蒸气中氧化生成过厚的导热不良的氧化层推断为长时间低幅度超设计温度运行。图4和图5参考文献:显微图支持这一推断。炉管所用的12Cr1MoⅤ属[1]李俊林,等.锅炉用钢及其焊接[M.黑龙江科学技术珠光体热强钢,适用于壁温≤580C的受热面管,其出版社,198供货状态的显微组织应为铁素体十片状珠光体。而[2]王鸣,唐建辉,12CrMoⅤ过热器管爆破失效分析破裂或尚未破裂的管子的显微组织都观察到球化的J].福建电力与电工,1999,19(3):58~59珠光体表明管件运行过程中长时间受较高温度作3]廖景娱.金属构件失效分析[M].北京:化学工业出用,从而有足够能量使碳化物析岀聚集、长大,逐渐版社,2003变为球状,材料的热强性也随珠光体球化增加而下[4]李禄臣,牛晓光,高宝林.12 CrlMov钢不同球化级别降。表2的拉伸测试结果可进一步证实上述的高温性能及寿命[J].河北电力技术,1997,16(7)40~4结论。[5]王正品,张路,等.电站用T22及与T91管高温蒸汽至于造成长时间低幅度超设计温度运行的原因氧化的失效分析[J].铸造技术,2004,25(7):523显然与内壁较厚的黑色氧化层有关。加热管内的水(上接第298页)(5)在长期使用后,溶液显墨绿色,这时清洗效术,1990,19(3):1~5果及速度都将受到影响,可以加入三分之一的新溶3胡正前,张文华.不锈钢表面氧化皮的清除[J.表面液,继续使用技术,1997,26(5):20~21(6)使用后的废液必须经过处理后才能排放[4]诸震鸣.浅谈不锈钢磷酸处理法[J.电镀与涂饰998,17(4):5否则将对周边环境造成污染5]陶映初.钢铁材料酸洗化学[M].北京:科学出版社,参考文献[6]张火兴,黎晓桃.冷凝管表面清洗剂的探讨[J.上海1]王庆余.不锈钢、耐热合金钢氧化皮的酸洗[J].电镀有色金属,2002,23(3):118与精饰,1987,9(6):42~44中国煤化工支常温快速清洗液的研制2]吴庭禄,等.钢铁表面漆前处理现状及发展趋势[J]CNMHG