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（中沙（天津）石化設(shè)備管理部，天津 300270）

摘  要：中沙裂解爐混合器本體發(fā)生大面積開(kāi)裂，通過(guò)對(duì)失效混合器本體的宏微觀分析，并結(jié)合裂解爐原料系統(tǒng)運(yùn)行工況，找出了混合器本體開(kāi)裂的主要原因，通過(guò)優(yōu)化制造工序及工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，解決了混合器本體易開(kāi)裂及裂解爐無(wú)法長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題，提高了裂解爐運(yùn)行可靠性，作為典型故障模式成功處理案例，為裂解爐的長(zhǎng)期特護(hù)管理工作指明了方向。

關(guān)鍵詞：裂解爐  混合器  裂紋開(kāi)裂   晶間敏感 

前 言

中沙（天津）石化有限公司裂解爐共12臺(tái)裂解爐，除單臺(tái)年產(chǎn)20萬(wàn)噸乙烯爐為2021年投用，其他裂解爐為2010年1月原始開(kāi)車投用，單臺(tái)爐能力10萬(wàn)噸乙烯/年，采用ST/Lummus合作的SL-1型爐。在2022年3月開(kāi)始，重質(zhì)原料裂解爐（5#）原料蒸汽混合系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)裂紋穿孔問(wèn)題（圖1）導(dǎo)致停爐檢修。

圖1.1混合器整體檢測(cè)a與局部裂紋b

1 混合器介紹

稀釋蒸汽（DS）來(lái)自稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，通過(guò)DS總管進(jìn)入爐區(qū)，稀釋蒸汽（DS）在稀釋蒸汽過(guò)熱段（DSSH）過(guò)熱后，通過(guò)混合器（單爐6臺(tái)）與外混合噴嘴中的進(jìn)料和稀釋蒸汽（HC+S）混合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料的完全汽化后排出。

混合器內(nèi)部介質(zhì)為烴類及稀釋蒸汽，操作壓力范圍為（0.33-0.48）MPaG，操作溫度范圍(560-610)℃。

混合器立式安裝，本體結(jié)構(gòu)如圖2-22，筒體及接管法蘭材質(zhì)為ASME A240 TP347H，筒體尺寸508mm，厚度16mm，進(jìn)出口尺寸均為DN150，法蘭壓力等級(jí)300lb，設(shè)計(jì)壓力0.8Mpa，設(shè)計(jì)溫度 650℃，設(shè)計(jì)壽命設(shè)計(jì)按15年考慮。

圖2-1混合器本體結(jié)構(gòu)圖                                                                                                                   圖2-2混合器焊縫分布圖

停爐檢修期間對(duì)該臺(tái)裂解爐其他混合器進(jìn)行了NDT（無(wú)損檢測(cè)）排查并水壓試驗(yàn)，結(jié)果如圖2-2及表2.1。

表2.1 原始裂紋缺陷特征及分布

注1：缺陷特護(hù)主要以裂紋為主，且表現(xiàn)為同一焊道多段裂紋出現(xiàn)，裂紋總和約為焊道長(zhǎng)度10%，且偶有未熔、氣孔情況。

注2：混合器水壓實(shí)驗(yàn)壓力，經(jīng)分析小組討論并依據(jù)SHS03001-2019《管式裂解爐維護(hù)檢修規(guī)程》對(duì)流段管試壓規(guī)定試壓。部分裂紋未裂透，PT（表面液體滲透）檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋特征，但X光（射線）檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存有內(nèi)部裂紋，水壓顯示合格。

2 原因分析

為更準(zhǔn)確判斷裂解爐混合器裂紋發(fā)生的原因，開(kāi)展如下兩項(xiàng)重點(diǎn)工作：

1）全面排查裂解爐原料混合系統(tǒng)，排查隱藏缺陷。

2）收集失效管段缺陷特征，分析裂紋產(chǎn)生原因，制訂長(zhǎng)周期可靠性措施，。

2.1 原料混合系統(tǒng)排查

裂解原料經(jīng)裂解爐排煙模塊（管系1）進(jìn)入裂解爐對(duì)流段，經(jīng)過(guò)兩段預(yù)熱，兩段混合（管系2）后再次過(guò)熱（管系3）進(jìn)行輻射爐膛（管系4）。本次排查數(shù)據(jù)不包括管系2中混合器本體部分。排查數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖表：

圖3-1原料混合模塊簡(jiǎn)圖及排查數(shù)據(jù)

從原料混合系統(tǒng)排查情況來(lái)看，裂解爐對(duì)流段管系統(tǒng)運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，本次裂解爐混合器本體缺陷為單一事件，混合器裂紋缺陷可定義為典型問(wèn)題分析并處理，重點(diǎn)開(kāi)展本爐型混合器裂紋分析原因，及時(shí)采取有針對(duì)性措施，同時(shí)開(kāi)展相同爐型同位置的缺陷排查跟蹤治理工作。 

2.2 檢驗(yàn)與分析

宏觀檢驗(yàn)

混合器本體內(nèi)壁及外部裂紋檢查，裂紋由內(nèi)避起裂沿厚度方向擴(kuò)散，共觀察到30條裂紋，其中穿透性裂紋8條，未穿透裂紋22條，垂直于焊縫裂紋共28條

圖3-2 混合器焊道本體內(nèi)壁及外部裂紋

混合器本體筒體測(cè)厚16mm,與設(shè)計(jì)厚度一致，內(nèi)表無(wú)明顯凹坑及腐蝕痕跡，內(nèi)表焊縫有內(nèi)凹、凸起及焊瘤等焊接缺陷，初步確認(rèn)單面焊雙側(cè)成形導(dǎo)致的成型缺陷，為原始制造缺陷。

圖3-3內(nèi)表焊縫成型缺陷

室溫拉伸及沖擊試驗(yàn)

對(duì)混合器本體取樣化學(xué)分析，混合器錐體及筒體母材化學(xué)成分均符合AMSE A240對(duì)347H材質(zhì)的成分要求。

對(duì)混合器本體取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.2，混合器錐體和筒體母材屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合AMSE A240對(duì)347H材質(zhì)的室溫拉伸性能要。

表3.1 混合器本體化學(xué)成份分析（wt.%）                                                                                                   表3.2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)混合器本體母材及焊縫附近進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，母材與焊縫附近材料的沖擊吸收功相當(dāng)，仍具有一定的沖擊韌性。              

晶間腐蝕敏感性試驗(yàn)

對(duì)混合器錐體和筒體母材取樣開(kāi)展預(yù)先固溶處理，做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

試件預(yù)先處理：試樣1 進(jìn)行20小時(shí)晶間腐蝕試驗(yàn)（銅-硫酸銅-16%硫酸溶液），試樣2固溶處理。彎曲測(cè)試：晶間腐蝕試樣1均發(fā)生開(kāi)裂，原樣均未裂。固溶處理試樣2和原樣均未開(kāi)裂。 

圖3-4圖3-5金相組織（主裂紋及細(xì)小裂紋）  

金相觀察及能譜分析

通過(guò)掃描電鏡觀察如下圖：混合器錐體和筒體金相組織均為奧氏體，晶界有碳化物析出;觀察到混合器錐體和筒體有由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的裂紋，裂紋延晶界擴(kuò)展，有分叉，焊縫及焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)為在主裂紋附近觀察到大量沿晶的細(xì)小裂紋，整體呈龜裂狀。

EDS能譜分析無(wú)Cl元素成份，分析顯示，組織均為奧氏體，晶界上有細(xì)條狀析出物，晶內(nèi)有顆粒狀析出物。晶間析出物為碳化鉻和碳化鈮;晶內(nèi)顆粒狀析出物為碳化鈮。晶間碳化物析出，表明混合器材料發(fā)生敏化。  

圖3-6典型析出物微區(qū)EDS能譜分析結(jié)果

綜合試驗(yàn)分析結(jié)果

混合器材質(zhì)TP347H標(biāo)準(zhǔn)組織為奧氏體，晶間界有碳化物析出，為典型敏化組織，且晶間腐蝕敏感性試驗(yàn)結(jié)果也表明材料發(fā)生敏化，混合器壁厚無(wú)明顯減薄，焊道及焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)為在主裂紋附近觀察到大量沿晶的細(xì)小裂紋，整體呈龜裂狀。開(kāi)裂與焊接接頭相關(guān)，主要集中在焊縫或熱影響區(qū)等應(yīng)力集中部位。

內(nèi)表焊縫有內(nèi)凹、未焊透及焊瘤等焊接缺陷，內(nèi)壁成型不良、焊后余高大，與筒體母材相比，焊接接頭局部應(yīng)力集中，未焊透會(huì)嚴(yán)重降低焊縫的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)12年服役，混合器焊接殘余應(yīng)力衰減，應(yīng)力較小，因此擴(kuò)展較慢，觀察到多處發(fā)生開(kāi)裂且大部分裂紋均未穿透，觀察原始缺陷焊道B3B4、A2A3及C2C3，均為應(yīng)力較集中的部位，在冷熱升降溫過(guò)程中，熱應(yīng)力導(dǎo)致的變開(kāi)會(huì)加速延遲裂紋的擴(kuò)展。

混合器材質(zhì)為TP347H穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼，服役溫度為450～700℃，處于不銹鋼敏化溫度區(qū)間（圖3-7 斜線部分），材料敏化與溫度和時(shí)間相關(guān)，混合器運(yùn)行期間服役溫度區(qū)間大致相當(dāng)，隨著服役時(shí)間增加，敏化程度逐漸增加。

圖3-7奧氏體不銹鋼晶間腐蝕趨勢(shì)

超溫加速敏化為微觀結(jié)論，長(zhǎng)期處于服役溫度區(qū)間會(huì)導(dǎo)致晶間腐蝕敏感開(kāi)裂。應(yīng)力開(kāi)裂為宏觀結(jié)論，應(yīng)力集中會(huì)加速延遲裂紋或敏感開(kāi)裂的擴(kuò)展。

結(jié)論分析探討

綜合以上分析，超溫加速敏化和應(yīng)力開(kāi)裂是混合器本體發(fā)生大面積開(kāi)裂的主要原因。下面這兩個(gè)方面深入討論。

混合器入口稀釋蒸汽（DS）由管網(wǎng)（190℃）引來(lái)后經(jīng)過(guò)對(duì)流段模塊三預(yù)熱（見(jiàn)圖3-1中管系2），已預(yù)熱后溫度（工藝包要求不大于617℃），而入口稀釋蒸汽（DS）實(shí)際運(yùn)行溫度600-700℃，偶有750℃運(yùn)行情況出現(xiàn)，混合器入口溫度明顯偏高。

混合器入口（HC+S）溫度情況，年趨勢(shì)圖實(shí)際運(yùn)行溫度：420-500℃。混合器出口溫度情況（趨勢(shì)圖）：450-520℃，高于工藝包最高溫度453℃。

圖3-8入口蒸汽溫度

圖3-9 入口原料溫度

圖3-10出口混合溫度

混合器入口稀釋蒸汽（DS）由管網(wǎng)（190℃）引來(lái)后經(jīng)過(guò)對(duì)流段模塊三預(yù)熱（見(jiàn)圖3-1中管系2），已預(yù)熱后溫度受控于裂解爐裂解深度。

長(zhǎng)期以來(lái)重質(zhì)爐原料初餾點(diǎn)低組份偏輕，明顯低于設(shè)計(jì)值，對(duì)流段模塊三操作溫度高于需求量，造成混合器運(yùn)行溫度偏高，加劇材料晶間腐蝕，材質(zhì)劣化使混合器使用壽命降低。

應(yīng)力開(kāi)裂， 混合器由上封頭、中間筒體和下錐體組成，采用ASME SECⅡ A-358/A358M 高溫用電熔焊奧氏體鉻鎳合金鋼管焊接而成，即中間筒體及錐體為有縫管，會(huì)留有組對(duì)殘余應(yīng)力。側(cè)進(jìn)高溫DS蒸汽（600-700℃）熱流會(huì)對(duì)彎頭急轉(zhuǎn)處產(chǎn)生流體沖蝕及應(yīng)力集中（圖），冷加工后未采取固熔處理的部件硬度可達(dá)HB350以上，所以在制造過(guò)程中，對(duì)急轉(zhuǎn)部件，如封頭、錐體、焊接件及焊接道采取穩(wěn)定化及固溶處理，降低硬度。 

圖3-11本體應(yīng)力集中部位                                                                                圖3-12固溶處理曲線

3 實(shí)施措施

3.1確定實(shí)施方案

根據(jù)分析結(jié)論，形成以下3項(xiàng)實(shí)施方案

第一項(xiàng)，整體更新混合器，應(yīng)力集中部位采取穩(wěn)定化固溶處理。

第二項(xiàng)，優(yōu)化原料配比，適當(dāng)降低管網(wǎng)DS初始溫度，避免混合器長(zhǎng)時(shí)間處于敏化溫度區(qū)間。

第三項(xiàng)，停爐排查同型號(hào)裂解爐混合器，及時(shí)維護(hù)或更新混合器

3.2方案實(shí)施

母材在加工前就進(jìn)行穩(wěn)定化，制造過(guò)程包含固溶處理過(guò)程，固溶曲線參考ASME SECⅡ A-358/A358M，1100℃保溫1小時(shí)水冷的固熔處理（圖3-12）。尤其是封頭及封頭附近焊道部分，加工后硬度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：1區(qū)2區(qū)3區(qū)及4區(qū)，要布氏硬度185HB以下（圖3-13）。同時(shí)在接頭焊接過(guò)程中應(yīng)確保單面焊雙面成型質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊瘤、內(nèi)凹及未焊透情況發(fā)生。

圖3-13本體硬度驗(yàn)收分區(qū)

對(duì)于BA105爐混合器進(jìn)行了本體整體更新，同時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整，將原始DS蒸汽產(chǎn)生段進(jìn)行了工藝降溫調(diào)整，確保正常運(yùn)行階段模塊過(guò)熱后溫度控制在450℃以下，目前重質(zhì)油爐原料混合系統(tǒng)運(yùn)行正常，處于設(shè)計(jì)范圍。

目前公司裂解爐負(fù)荷處于低負(fù)荷運(yùn)行，重質(zhì)原料爐均階段停爐，參考BA105爐成功經(jīng)驗(yàn)，制訂策略開(kāi)展了其他裂解爐混合器排查，混合器本體缺陷情況與BA105類似，已制訂跟蹤計(jì)劃并更新。

4 結(jié)論

裂解爐原料混合系統(tǒng)作為裂解爐的核心系統(tǒng)，其服役時(shí)間及運(yùn)行可靠性直接影響裂解爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，作為典型故障模式成功處理案例，為裂解爐的長(zhǎng)期特護(hù)管理工作指明了方向。

參考文獻(xiàn)

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[3]  ASME SA-240SA-A240M-07 ASME SA-240 SA-240M-2017 壓力容器和一般用途用耐熱鉻及鉻鎳不銹鋼板、薄板和鋼帶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

[4]  ASME SEC II A SA-312/SA-312M-2002   無(wú)縫焊接奧氏體不銹鋼管道規(guī)范.ASTM A312/A312M-00b

通訊作者：史寶明，從事設(shè)備管理工作