魏明孝
中国石化股份有限公司荆门分公司，湖北 荆门 448039
一、 前言
制氢2号转化炉在累计运行3.866万小时后，停工检查发现，处在同一列中的52#、58#、60#、62#共计4根炉管下端出口猪尾管下方大约200～300mm处均出现穿透性开裂，其中58#号破裂成一个洞，52#、60#、62#炉管的开裂部位伴有鼓包。因此，对炉管安全状况进行评估，找到失效的原因，对该批炉管能否继续使用以及使用过程中应注意的问题，有着重要意义。
二、分析材料
根据炉管壁温受热分布和炉管损伤部位，抽取62号一段和58号上中下三段炉管，编号为62#、581#、582#、583#。见图1~4
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1、炉管宏观检查
四段取样炉管基本上没有宏观变形，但有椭圆形穿孔，壁厚在11.0～11.4mm之间，与正常部位壁厚基本相同。62号炉管有环向弦长120mm，轴向长130mm，高度10mm的鼓包，中部有一条长65mm的轴向穿透裂纹，还有30多条从外表面开裂的未穿透裂纹，深度在1～5mm之间，长度在3～15mm之间。
2、炉管截面内外表面着色探伤
对分割后的炉管进行机械加工，经喷砂与打磨处理后，对四个取样管段的内外壁均进行了100％着色探伤。
1）外表面
对外表面进行了100％的着色探伤。在取样581外表面发现了不少直径在1～2mm的小凹坑，其中最大的一个凹坑距离下端331mm，距离右剖口223mm，直径2mm。在取样582外表面发现有一条距离左剖口161mm，距离下端236 mm，长30mm的轴向裂纹,形貌见图6～图7。
图6 582外表面裂纹照片图 图7中582外表面裂纹放大照片
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3、 炉管材料性能测试与评价
3.1、炉管材料化学成分分析
炉管“材质为2535Nb，规格为φ143.6×10.8mm×14074 mm，按照标准HG/T 2601-94制造。对该炉管分析了C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo、Nb、W等元素的含量。分析化学成分符合标准要求，但其中Cr和Ni含量处于标准中允许范围的下限。
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3.2、常温拉伸性能测试
根据GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验》的要求，加工拉伸试样。测试表明有17个试样的实测伸长率都小于标准规定值，并且其中大部分远小于标准规定值，表明延性指标明显偏低。
3.3高温拉伸性能测试
材料的高温拉伸强度指标亦满足标准要求，实测延伸率虽然比室温时有所提高，但都小于标准规定值24% 。
4、炉管材料扫描电镜、金相、X射线检测
4.1扫描电镜（SEM）分析
为了分析碳化物的形态、裂纹和内部疏松等缺陷的形貌，从炉管管段上取样（远离鼓包和穿孔区域）。
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从以上SEM照片可以看出，晶界上存在较多的空洞和碳化物。这些空洞与碳化物或晶界相交处在张应力作用下，易形成楔形裂纹而产生较大的应力集中，将促进钢在高温下过早断裂。
4.2金相组织分析
为了观察炉管材料的金相组织、晶粒特征，以及碳化物、空洞的分布及特征，从4个取样管段上远离鼓包、穿孔的正常部位、穿透裂纹两侧和表面探伤发现的表面裂纹所在部位等共取样7个。对试样进行了金相组织分析。
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从以上金相照片可以看出，裂纹形成与扩展主要是沿着晶界进行的。主要存在的问题为：钢中存在较多的疏松空洞，有些空洞与晶界碳化物或晶界相交处，已形成微裂纹。这会促进钢的过早失效。
三、结论
1、由于炉管材料中过多的疏松空洞的存在削弱了韧性，经过4万小时的使用，材料进一步脆化，并在其中产生了较多的微观裂纹。
2、炉外环境（可能是保温材料）中存在Na+，在停车或其它条件下吸湿，从而造成碱性水溶液腐蚀环境，再加上应力就发生了应力腐蚀，促使外壁产生裂纹并扩展。
3、由于猪尾管到下支耳之间的应力较大，使得这个区域的微裂纹比其它区域更容易扩展。
4、金相分析和内壁着色探伤结果表明，583上的穿孔附近和62上的穿透裂纹附近都有短时超温引起的蠕变空洞。583穿孔附近的材料中的蠕变空洞比其它部位更严重一些，网状裂纹更多些。因而此处可能最先破裂，由于内壁有网状裂纹存在，所以破裂是近似圆孔形的。
5、583破裂后，氢气外泄引起火灾，58号炉管及周围的炉管在高温火焰的直接烧烤或高温烟气、猪尾管下方钢板的热辐射下经受了短时高温的损伤，其中距离较近的其它三个炉管因短时高温而发生明显的鼓包，并在鼓起的过程中因外壁应力较大而在鼓包外壁出现很多裂纹，当然这些裂纹也与外壁碱性环境下的应力腐蚀有关。
6、58号炉管上引起泄漏的穿孔周围没有明显的鼓包，是因为它在穿孔前还没有受到高温，穿孔后压力下降故未引起鼓包，金相分析中看到的此处的蠕变空洞是泄漏起火后的高温引起的。
7、失效的主要原因是材料中过多的疏松空洞的存在加上外壁碱性腐蚀环境共同引起炉管的过早失效。
8、 建议：提高铸件铸造质量，减少疏松等空洞；限制保温材料中的Na+、Cl-、S2-等有害元素的存在，在安装使用等环节也要避免炉管与这些腐蚀性介质接触；
检查其它炉管，是否有类似情况发生。
参考文献
[1] 钱家麟等著.管式加热炉[M].北京：中国石化出版社，2003
[2] 刘运桃编.管式加热炉技术问答[M].北京：中国石化出版社，1992.24
[3] 姜锡山著.特殊钢缺陷分析与对策[M].北京：化学工业出版社，2006
[4] 王汉军.制氢转化炉炉管失效分析[J]. 石油化工腐蚀与防护,2 0 0 4 , 2 1 ( 3 ).2 3-26