合成氨高温变换炉过热器出口弯管爆裂分析

刘德宇 中国特种设备检测研究院

田 原 北京航空航天大学

王贵川 华北油田华丽综合服务处

王建国 王宁辉 华北油田质量安全环保处

合成氨高温变换炉过热器出口弯管爆裂分析

刘德宇 中国特种设备检测研究院

田 原 北京航空航天大学

王贵川 华北油田华丽综合服务处

王建国 王宁辉 华北油田质量安全环保处

2012年某合成氨装置高温变换炉过热器出口管弯管处发生爆管。本文对发生爆管的弯管失效试样进行了宏观检查、断口分析、显微组织观察及扫描电镜分析，探讨了弯管爆管失效的原因。

该弯管材质为P11，规格为φ457×16mm，与之紧邻的出口直管材质为15CrMo，规格为φ457×20mm，操作压力3.68MPa，管内介质为蒸汽，设计温度460℃，实际操作温度440℃。

1 宏观分析

弯管爆管段形貌如图1（a)所示，断口在弯管内弧面沿轴向展开，爆口张开呈喇叭形，撕裂导致的变形很大；图中3#处管壁向远离高温变换炉过热器的方向外掀；爆管内壁有明显锈蚀，内表面凹凸不平，呈典型冲刷形貌，如图1（b)，测量发现此处壁厚仅余2.56mm。

图1 爆管段形貌

2 断口分析

2.1 爆管断口分析

对断口观察可见，2#位置附近的断口为长约19.55mm的正断口，其余均为撕裂状剪切断口，断口截面与外壁呈45°夹角，断口宏观呈塑性断裂形态。

分别在图1（a）所示爆管断口的1#、2#、4#位置取材料制备试样，去除断口表面的氧化产物。在扫描电镜（型号JSM-5800）下观察断口形貌，如图2(a)，(b)，(c)。可见1#、2#断口均呈现典型沿晶形貌，4#断口呈韧窝形貌。结合宏观结果可知，2#位置应为爆管的起裂点，1#位置为沿晶断裂口，表明弯管爆裂速度非常快[1]，导致随后发生断裂的断口4#位置呈韧窝状撕裂。观察断裂起源的2#位置未见明显材料缺陷及加工缺陷。

图2 断口形貌

2.2 显微组织分析

在图1（a）所示爆管断口的1#、2#、3#位置以及紧邻高压变换炉出口直管（5#）位置处取材料制备试样，经打磨和机械抛光处理后采用4%硝酸酒精溶液浸蚀15s，在金相显微镜（型号OLYMPUS BX51M）及扫描电镜（型号JSM-5800）下进行金相组织分析和断口观察，并对试样组织进行珠光体球化评级。

弯管处材质为P11，供货态组织应为铁素体+珠光体。由图3可见，1#试样基体组织为铁素体+珠光体，没有发生相变，珠光体区域完整，片层碳化物开始分散，趋于球化，晶界有少量碳化物，为2级球化[2]。在扫描电镜下观察可见晶界存在少量蠕变空洞和晶界楔形裂纹。金相组织观察结果表明，弯管经历了较高温度过程。

图3 1#位置显微组织

2#位置处组织发生明显相变，出现细小颗粒状析出物，为典型回火索氏体，组织细小，如图4（a)、（b)，该形貌说明，2#位置经历了高于Ac1的高温而发生固态相变。3#试样内壁晶粒显著变形，纵横比为1：5，且有明显脱碳，如图4（c)、(d）所示。结合宏观内表面锈蚀严重的现象可知，在高温燃气冲刷下管壁发生塑性变形，且内表面不断氧化脱落而减薄。由图4（e)可见，在3#芯部有点状析出物，未见明显珠光体形态，说明该部位在高温下金相组织发生相变。

与弯管紧邻直管（图1（a）5#处）材质为耐热钢15CrMo。由图4（f）可见其金相组织为回火索氏体与未溶解的少量板条马氏体。由于15CrMo蒸汽导管供货态组织应为铁素体+珠光体，表明该直管段发生固态相变，这是经历过较高超温的结果。管道金相组织的严重改变必然导致力学性能发生改变。

3 综合分析

对断口和试件的金相组织分析表明，由于操作失误导致与弯管紧邻的直管处经历超过1000℃的短时超温过程。经调查，用户监测结果及情况说明也证明了该高温变换炉曾经出现严重超温工况。

高温变换炉出口直管段连接有一法兰，该法兰后为弯管，弯管处的金相组织观察显示，该处虽然没有发生金相组织相变，但在变换炉超温工况下，该弯管也必然经历较高温度过程，且弯管内弧面是弯管薄弱位置。

弯管爆管过程应为，在高温变换炉非正常工况下，过热器管外加热烟气出现超温并导致管内蒸汽温度升高，弯管材料强度因温度升高而降低，蒸汽压力造成弯管内弧面某个区域发生塑性变形，壁厚因此严重减薄，从而导致弯管过载开裂。初始断口长约20mm，为典型的沿晶断裂形貌，说明该位置发生快速开裂，是管道发生爆管的起始点。

高温燃气从该爆管处泄漏接触空气后发生燃烧，火焰温度使2#处经历高温导致组织发生相变。爆口尺寸较小，且高温变换炉过热器管内压力极高，导致大量气体在此处泄漏燃烧，同时引起爆口附近管道迅速由2#位置向两边撕开，大量高温燃气从直管喷出并在法兰处（燃气出口处）继续燃烧。

火焰直接喷射到弯管的3#位置造成高温及高速冲刷。3#位置的金属金相组织观察显示，该位置发生了相变，晶粒被大幅拉长，证明该处是大量火焰喷射的中心位置，而爆管的1#位置距离火焰中心相对较远，没有发生相变。

综合实验结果可以看出，由于弯管结构的特殊性，导致该部位所受冲蚀严重，管壁减薄明显，造成弯管强度下降，加之，该管道长时间在高温环境下服役，且由于操作失误，会造成短时超温过程，温度超过1000℃，导致材质严重劣化，进而在薄弱部位发生开裂，造成管内介质泄露，遇空气发生燃烧，且管内压力较高，最终导致弯管爆裂。

4 结论

通过以上分析可得出如下结论：

1）高温变换炉过热器出口管道弯管爆裂的起始点在弯管内弧面；

2）由于操作失误，致使该管道短时间内温度急剧上升(达到1000℃以上)，且弯管处由于冲蚀导致管壁减薄，从而造成材料强度明显下降，最终导致高温过载断裂；

3）变换炉一类设备应注意避免超过设计温度运行。

1 DL/T787－2001火力发电厂用15CrMo 钢珠光体球化评级标准

2 钟群鹏,赵子华.断口学.北京：高等教育出版社,2006

2013－07－02）