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【摘要】本文主要简述了EDC裂解炉炉管失效的现状研究，并分析了其失效的几种形式，同时结合相关案例，对EDC裂解炉炉管失效进行了取样，分析，结果探等方面进行了研究，最后提出了基于EDC裂解炉炉管失效的风险防范措施。
【关键词】EDC裂解炉；炉管失效；形式分析，风险控制
【 abstract 】 this paper mainly describes the EDC cracking furnace furnace tube failure status quo of the research, and analyses the failure of several forms, combined with related cases at the same time, the EDC cracking furnace furnace tube failure for the sampling, analysis of the results of agents, etc are studied, and finally put forward based on the EDC cracking furnace furnace tube failure risk prevention measures.
【 key words 】 the EDC cracking furnace; The furnace tube failure, Formal analysis, risk control
中图分类号：F407.45文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、前言
EDC裂解炉炉管失效将会对整个机械的运行产生很大的影响，同时也会威胁到运营的安全性和稳定性，因此，在进行操作过程中，加强对EDC裂解炉炉管失效的分析研究，并采用科学合理的风险防范措施具有重要意义。
二、EDC裂解炉炉管失效研究现状
乙烯炉管的损伤主要有裂纹、渗碳、蠕变、外表面燃料侧的腐蚀及内表面物料侧的腐蚀。转化炉管的损伤主要有裂纹、蠕变、碳化物相及θ相的析出导致材质劣化，高温腐蚀。
研究方法主要有无损检验和破坏检查两大类。无损检验一般有射线探伤、超声波探伤和渗透探伤，用以检查裂纹;超声波测厚，用以检查腐蚀壁厚减薄;尺寸测量用以检查蠕胀程度;渗碳仪进行渗碳程度检查，但此法因准确度不高而很少应用。破坏检查一般有机械性能试验，以检查材料脆化程度;金相检查，可发现炉管自内到外金相组织的变化，如碳化物相及θ相析出程度等;扫描电镜对断口进行形态分析;对腐蚀产物的电子探针成份分析及X射线衍射的结构分析;能谱仪或电子探针对材料进行微区成份分析等。可见破坏检查对炉管失效分析的作用更为重要，因此乙烯裂解炉和合成氨转化炉常常是定期更换几根炉管用以进行破坏检查，以判断材质劣化程度及剩余寿命。
三、EDC裂解炉炉管失效形式分析
1、弯曲失效
在炉管的众多失效形式中, 裂解炉炉管弯曲失效是最常见的, 占全部炉管更换总量的一半以上。在裂解炉运行过程中存在的弯曲问题, 轻则影响炉膛内的热量对炉管的均匀、有效的辐射传热, 重则造成炉管损毁, 酿成事故, 是影响裂解炉正常运行的常见问题。
2、开裂失效
硫酸露点腐蚀实际上是高温稀硫酸的腐蚀,其腐蚀特性遵循非氧化性酸的腐蚀规律。硫酸露点腐蚀一般发生在温度较低的设备部位, 例如烟道中燃料气的温度低于该环境下酸露点温度, 根据结露原理, 气相中的酸与水冷凝形成液滴, 然后接触到金属表面, 产生腐蚀。应力腐蚀是指在拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。
3、渗碳
渗碳是裂解炉管最常见的失效形式。产生渗碳的原因与炉管的壁温、裂解温度、原料组分、炉管结焦等因素有关。渗碳是由于高温条件下炉管内工艺介质中的碳氢化合物发生分解, 碳原子吸附于炉管内表面, 不断向材料内部渗透和扩散并形成碳化物。
四、关于EDC裂解炉炉管失效的案例分析
1、取样
从更换下来的失效炉管上取样:
1#试样；从有结瘤物但未穿孔的管壁上取样，该部位经宏观检查外壁呈黑斑状，表面较疏松、不规则、不平整、略有凹陷。解剖后，发现该部位附近内壁上存在一些腐蚀凹坑，大小深浅不一。为能分析研究黑斑处炉管沿壁厚方向金相組织的变化情况，从黑斑中心切割，该处管材受力而剥落，形成穿孔。取样位置如图1(1)示。
2#试样；从外壁无异常部位切割下一段长55mm的园环，经宏观检查其内壁无腐蚀迹象，在机床切削断面时，发现其内壁有一层致密的黑色脆性层，厚薄不均，厚度约为1.01mm。使用超声波测厚仪对该部位进行测厚，超声波能穿过脆性层，、其测厚数值包含脆性层厚度。从切削面取2#样，取样位置如图1(2)示。
3#,4#,5#拉伸试样；从外壁无异常部位切割下一段长150mm的半园环，经宏观检查其内壁无腐蚀迹象，依据日本标准JISZ2201，制取三个拉伸试样。取样位置如图1(3)示。
2、材质劣化状况分析
（一）蠕变
（1）宏观尺寸测量
在2010年秋季大修中，对两台EDC裂解炉炉管进行宏观尺寸测量，从测试结果看无蠕变变形迹象。
（2）金相检查
将1#样的截面制成金相样品，置人扫描电镜真空室中观察，并摄取炉管外层的金相组织照片，见照片2,从照片2中，可观察到晶内存在着孔洞，但未达到形成串珠及片状孔洞的地步。由此可判断炉管蠕变状况不严重，未危及炉管的安全使用。
（二）渗碳
（1）脆性层成份分析
将2#样1:01 mm的脆性层刮下，进行化学成份分析，以确定其含碳量。分析结果Wt%为(0.49，52%)此数值已远远超过材料本身的碳含量(0.040,10 % )。因此可判断，脆性层高的含碳量是由于介质对炉管的渗碳所造成的。
（2）脆性层的结构分析
将2#样1.01.5~的脆性层刮下，研磨成粉末，进行X射线衍射分析。
从测试结果可知，炉管内壁所形成的脆性层主要成分是Fes3o4(其中所含的奥氏体，为切刮脆性层粉末时携带的基本组织)。我们认为这些氧化物是炉管渗碳所形成的碳化物在炉管运行超温时氧化而成。由此可以说明该层材质已完全劣化，由于未氧化的碳化物组元的含量在仪器灵敏度(组元的含量大于1%)之下，故未能测出。
（3）电子探针微区成份分析
将2#样截面抛光，置人JXA8800M(日本电子公司产)型仪器真空电子束下，对整个截面进行碳元素的线扫描分析。
从测试结果可判断，由于介质对炉管的渗碳，使炉管内壁碳含量增高。而具体渗碳范围为:1. 0mm(脆性层厚)+0.25(基体厚)=1. 25mm，在进行检测前，由于运行的原因还有0.5~的脆性层已剥落，故实际渗碳范围1. 75mmo
（4）金相检查及析出相成分分析
将2#样截面制成金相样品，置人扫描电镜真空室中观察，从内壁到外壁金相组织变化情况。从测试结果可判断，析出相主要是由于介质对炉管的渗碳，使得碳与强碳化物形成元素(尤其是Nb )化合所形成的在晶界富集的碳化物。因此从以上分析可判断:渗碳导致材质劣化为内壁约1.75~范围内，考虑测量误差，此范围取2.Omm，因此渗碳程度仍在壁厚腐蚀裕量范围内。
3、结论分析
（一）材质劣化程度
对炉管材质劣化的分析表明:炉管的蠕变状况不严重，未危及炉管的安全使用;渗碳导致材质劣化为内壁约2.0毫米，在设计腐蚀裕量(3.0毫米)范围内;炉管的机械性能试验，基本合格。
（二）腐蚀穿孔的原因
炉管存在较为普遍点蚀、坑蚀甚至穿孔失效，基本原因是:C1一的腐蚀形成了较深的蚀坑和大量腐蚀产物，在严重超温时促使蚀坑破坏，进一步加剧了其后的腐蚀。其腐蚀机理被认为是:炉管介质HC1, VCM, EDC在正常操作条件下为气体，对炉管不产生腐
蚀。但是炉管在开车期间，结焦及沉积其它杂质，其附着程度不一，尽管炉管定期进行烧焦处理，但不可能完全清除干净，局部势必存在一些附着层，这些附着物将吸附HCl，在停车检修或在较低温度下，当与外界大气或含水物质连通时，吸附的HCl将吸收水分，形成盐酸，腐蚀炉管而形成局部的腐蚀凹坑。这些凹坑的形成，将更加剧炉管在以后停车期间的腐蚀。投运十年来，经过数次的开停车，日积月累最终导致了炉管的腐蚀穿孔失效。
五、基于EDC裂解炉炉管风险的检验
对炉管进行风险分析和计算的目的是为炉管的预防性维修提供一个有效的检验计划, 降低装置的風险。在EDC裂解炉炉管中, 基于风险的检验周期主要依据设备的失效机理的损伤因子和检验有效性, 合理的检验周期应该是保证设备在下一次维修之前安全运行。根据EDC裂解炉炉管的检验计划方法, 如果当前的技术模块次因子小于 10, 增量时间为 1 a, 直到技术模块次因子到达 10, 则增量的数量是到下次检验的时间 t。对于本文的研究对象, 如果采用基本有效、一般有效或高度有效的检验方法, 则炉管的检验周期可分别为 5 a、10 a 或 20 a, 见表1。
表1 裂解炉炉管的检验周期
六、结束语
在进行EDC裂解炉炉管失效研究中，要结合具体的失效形式，分析其原因，并采取合理的养护防控措施，严格检修标准，从而确保EDC裂解炉炉管的安全性和稳定性。
参考文献
[1]王文和; 沈士明基于风险的乙烯裂解炉炉管失效概率分析石油化工高等学校学报2007-06-15期刊
[2]汪辉; 周昌玉 乙烯裂解炉炉管失效FTA及改进方法石油与天然气化工2007-06-15期刊
[3]王永瑞; 张沅虎; 莫又悟煤柴油裂解炉炉管失效分析上海交通大学学报1982-06-30期刊
[4]刘洋 裂解炉炉管泄露失效分析广州化工2012-06-08期刊
[5]刘丽双 裂解炉高压蒸汽管线失效分析大庆石油学院2010-03-27硕士
[6]孙国豪乙烯裂解炉管性能及失效分析研究大连理工大学2001-05-01硕士
[7]郑显伟 我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况压力容器2013-05-30期刊
【关键词】EDC裂解炉；炉管失效；形式分析，风险控制
【 abstract 】 this paper mainly describes the EDC cracking furnace furnace tube failure status quo of the research, and analyses the failure of several forms, combined with related cases at the same time, the EDC cracking furnace furnace tube failure for the sampling, analysis of the results of agents, etc are studied, and finally put forward based on the EDC cracking furnace furnace tube failure risk prevention measures.
【 key words 】 the EDC cracking furnace; The furnace tube failure, Formal analysis, risk control
中图分类号：F407.45文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、前言
EDC裂解炉炉管失效将会对整个机械的运行产生很大的影响，同时也会威胁到运营的安全性和稳定性，因此，在进行操作过程中，加强对EDC裂解炉炉管失效的分析研究，并采用科学合理的风险防范措施具有重要意义。
二、EDC裂解炉炉管失效研究现状
乙烯炉管的损伤主要有裂纹、渗碳、蠕变、外表面燃料侧的腐蚀及内表面物料侧的腐蚀。转化炉管的损伤主要有裂纹、蠕变、碳化物相及θ相的析出导致材质劣化，高温腐蚀。
研究方法主要有无损检验和破坏检查两大类。无损检验一般有射线探伤、超声波探伤和渗透探伤，用以检查裂纹;超声波测厚，用以检查腐蚀壁厚减薄;尺寸测量用以检查蠕胀程度;渗碳仪进行渗碳程度检查，但此法因准确度不高而很少应用。破坏检查一般有机械性能试验，以检查材料脆化程度;金相检查，可发现炉管自内到外金相组织的变化，如碳化物相及θ相析出程度等;扫描电镜对断口进行形态分析;对腐蚀产物的电子探针成份分析及X射线衍射的结构分析;能谱仪或电子探针对材料进行微区成份分析等。可见破坏检查对炉管失效分析的作用更为重要，因此乙烯裂解炉和合成氨转化炉常常是定期更换几根炉管用以进行破坏检查，以判断材质劣化程度及剩余寿命。
三、EDC裂解炉炉管失效形式分析
1、弯曲失效
在炉管的众多失效形式中, 裂解炉炉管弯曲失效是最常见的, 占全部炉管更换总量的一半以上。在裂解炉运行过程中存在的弯曲问题, 轻则影响炉膛内的热量对炉管的均匀、有效的辐射传热, 重则造成炉管损毁, 酿成事故, 是影响裂解炉正常运行的常见问题。
2、开裂失效
硫酸露点腐蚀实际上是高温稀硫酸的腐蚀,其腐蚀特性遵循非氧化性酸的腐蚀规律。硫酸露点腐蚀一般发生在温度较低的设备部位, 例如烟道中燃料气的温度低于该环境下酸露点温度, 根据结露原理, 气相中的酸与水冷凝形成液滴, 然后接触到金属表面, 产生腐蚀。应力腐蚀是指在拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。
3、渗碳
渗碳是裂解炉管最常见的失效形式。产生渗碳的原因与炉管的壁温、裂解温度、原料组分、炉管结焦等因素有关。渗碳是由于高温条件下炉管内工艺介质中的碳氢化合物发生分解, 碳原子吸附于炉管内表面, 不断向材料内部渗透和扩散并形成碳化物。
四、关于EDC裂解炉炉管失效的案例分析
1、取样
从更换下来的失效炉管上取样:
1#试样；从有结瘤物但未穿孔的管壁上取样，该部位经宏观检查外壁呈黑斑状，表面较疏松、不规则、不平整、略有凹陷。解剖后，发现该部位附近内壁上存在一些腐蚀凹坑，大小深浅不一。为能分析研究黑斑处炉管沿壁厚方向金相組织的变化情况，从黑斑中心切割，该处管材受力而剥落，形成穿孔。取样位置如图1(1)示。
2#试样；从外壁无异常部位切割下一段长55mm的园环，经宏观检查其内壁无腐蚀迹象，在机床切削断面时，发现其内壁有一层致密的黑色脆性层，厚薄不均，厚度约为1.01mm。使用超声波测厚仪对该部位进行测厚，超声波能穿过脆性层，、其测厚数值包含脆性层厚度。从切削面取2#样，取样位置如图1(2)示。
3#,4#,5#拉伸试样；从外壁无异常部位切割下一段长150mm的半园环，经宏观检查其内壁无腐蚀迹象，依据日本标准JISZ2201，制取三个拉伸试样。取样位置如图1(3)示。
2、材质劣化状况分析
（一）蠕变
（1）宏观尺寸测量
在2010年秋季大修中，对两台EDC裂解炉炉管进行宏观尺寸测量，从测试结果看无蠕变变形迹象。
（2）金相检查
将1#样的截面制成金相样品，置人扫描电镜真空室中观察，并摄取炉管外层的金相组织照片，见照片2,从照片2中，可观察到晶内存在着孔洞，但未达到形成串珠及片状孔洞的地步。由此可判断炉管蠕变状况不严重，未危及炉管的安全使用。
（二）渗碳
（1）脆性层成份分析
将2#样1:01 mm的脆性层刮下，进行化学成份分析，以确定其含碳量。分析结果Wt%为(0.49，52%)此数值已远远超过材料本身的碳含量(0.040,10 % )。因此可判断，脆性层高的含碳量是由于介质对炉管的渗碳所造成的。
（2）脆性层的结构分析
将2#样1.01.5~的脆性层刮下，研磨成粉末，进行X射线衍射分析。
从测试结果可知，炉管内壁所形成的脆性层主要成分是Fes3o4(其中所含的奥氏体，为切刮脆性层粉末时携带的基本组织)。我们认为这些氧化物是炉管渗碳所形成的碳化物在炉管运行超温时氧化而成。由此可以说明该层材质已完全劣化，由于未氧化的碳化物组元的含量在仪器灵敏度(组元的含量大于1%)之下，故未能测出。
（3）电子探针微区成份分析
将2#样截面抛光，置人JXA8800M(日本电子公司产)型仪器真空电子束下，对整个截面进行碳元素的线扫描分析。
从测试结果可判断，由于介质对炉管的渗碳，使炉管内壁碳含量增高。而具体渗碳范围为:1. 0mm(脆性层厚)+0.25(基体厚)=1. 25mm，在进行检测前，由于运行的原因还有0.5~的脆性层已剥落，故实际渗碳范围1. 75mmo
（4）金相检查及析出相成分分析
将2#样截面制成金相样品，置人扫描电镜真空室中观察，从内壁到外壁金相组织变化情况。从测试结果可判断，析出相主要是由于介质对炉管的渗碳，使得碳与强碳化物形成元素(尤其是Nb )化合所形成的在晶界富集的碳化物。因此从以上分析可判断:渗碳导致材质劣化为内壁约1.75~范围内，考虑测量误差，此范围取2.Omm，因此渗碳程度仍在壁厚腐蚀裕量范围内。
3、结论分析
（一）材质劣化程度
对炉管材质劣化的分析表明:炉管的蠕变状况不严重，未危及炉管的安全使用;渗碳导致材质劣化为内壁约2.0毫米，在设计腐蚀裕量(3.0毫米)范围内;炉管的机械性能试验，基本合格。
（二）腐蚀穿孔的原因
炉管存在较为普遍点蚀、坑蚀甚至穿孔失效，基本原因是:C1一的腐蚀形成了较深的蚀坑和大量腐蚀产物，在严重超温时促使蚀坑破坏，进一步加剧了其后的腐蚀。其腐蚀机理被认为是:炉管介质HC1, VCM, EDC在正常操作条件下为气体，对炉管不产生腐
蚀。但是炉管在开车期间，结焦及沉积其它杂质，其附着程度不一，尽管炉管定期进行烧焦处理，但不可能完全清除干净，局部势必存在一些附着层，这些附着物将吸附HCl，在停车检修或在较低温度下，当与外界大气或含水物质连通时，吸附的HCl将吸收水分，形成盐酸，腐蚀炉管而形成局部的腐蚀凹坑。这些凹坑的形成，将更加剧炉管在以后停车期间的腐蚀。投运十年来，经过数次的开停车，日积月累最终导致了炉管的腐蚀穿孔失效。
五、基于EDC裂解炉炉管风险的检验
对炉管进行风险分析和计算的目的是为炉管的预防性维修提供一个有效的检验计划, 降低装置的風险。在EDC裂解炉炉管中, 基于风险的检验周期主要依据设备的失效机理的损伤因子和检验有效性, 合理的检验周期应该是保证设备在下一次维修之前安全运行。根据EDC裂解炉炉管的检验计划方法, 如果当前的技术模块次因子小于 10, 增量时间为 1 a, 直到技术模块次因子到达 10, 则增量的数量是到下次检验的时间 t。对于本文的研究对象, 如果采用基本有效、一般有效或高度有效的检验方法, 则炉管的检验周期可分别为 5 a、10 a 或 20 a, 见表1。
表1 裂解炉炉管的检验周期
六、结束语
在进行EDC裂解炉炉管失效研究中，要结合具体的失效形式，分析其原因，并采取合理的养护防控措施，严格检修标准，从而确保EDC裂解炉炉管的安全性和稳定性。
参考文献
[1]王文和; 沈士明基于风险的乙烯裂解炉炉管失效概率分析石油化工高等学校学报2007-06-15期刊
[2]汪辉; 周昌玉 乙烯裂解炉炉管失效FTA及改进方法石油与天然气化工2007-06-15期刊
[3]王永瑞; 张沅虎; 莫又悟煤柴油裂解炉炉管失效分析上海交通大学学报1982-06-30期刊
[4]刘洋 裂解炉炉管泄露失效分析广州化工2012-06-08期刊
[5]刘丽双 裂解炉高压蒸汽管线失效分析大庆石油学院2010-03-27硕士
[6]孙国豪乙烯裂解炉管性能及失效分析研究大连理工大学2001-05-01硕士
[7]郑显伟 我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况压力容器2013-05-30期刊