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摘 要：针对典型制氢装置转化炉出口猪尾管，通过各种理化检测分析手段阐述其爆裂的主要原因，并提出严格控制转化炉运行参数，避免炉管因高温蠕变造成炉管破坏。
关键词：猪尾管；爆裂；蠕变；失效。
某炼油厂制氢装置设计生产能力为50000Nm3/h。1995年7月投入运行。转化部分采用A、B双套工艺流程。制氢转化炉炉管为国产离心铸造高温合金钢管（材质为ZG40Cr25Ni35Nb），规格为Φ123mm×10mm×14160mm。出口猪尾管为进口无缝合金管材（材质为Incoloy800H），按图纸整根冷弯成型，规格为Φ32mm×3.5mm。2008年5月，B套转化炉炉管整体更换，至2011年11月泄漏着火时，累计运行27528h。
停炉检查发现B套转化炉同一列炉管中有六根炉管（1#，2#，3#，6#，7#，8#）在出口猪尾管焊口下方200mm左右发现长约80mm的穿透性裂口，开裂处均伴有鼓包，如下图0-1。7#出口猪尾管出现一个长约100mm长的裂口，如下图0-2。
根据事故现场情况分析，发生着火的直接原因是7#出口猪尾管爆裂，氢气大量泄漏，在高温条件下产生爆燃。火焰对附近转化炉管表面灼烧，造成炉管根部不同程度的穿透裂纹。为查明猪尾管失效真实原因，我们对爆裂的猪尾管做了进一步理化分析。
1 宏观、低倍分析
1.1猪尾管取样
对7#猪尾管进行外观检查，管子外径为φ36.7mm，明显变粗。继而对所有的140根猪尾管进行外观尺寸测量，发现外径均有不同程度的增大，其中发现5根猪尾管外径增大明显，尺寸在φ34.5―φ37之间，且管子弯曲变形严重。选择爆裂的7#猪尾管和外径变粗最明显的120#猪尾管分别取一段试样命名为试样1、试样2，如图1-1，进行理化分析。
1.2 宏观、低倍分析
试样1爆口长100mm，中间最宽处有5～6mm，形状呈鱼嘴形；主爆口旁还有些小裂缝，见图1-3。试样1爆口对面外表面可见有大量凸起泡存在，并有细小裂纹沿纵向延伸；剖开管子截面，可以看见，在爆口对面管壁上有多条径向裂纹，已经基本穿透管壁，经台钳夹紧加压后管子完全开裂，见图1-4。试样2管壁上没有发现径向裂纹存在，见图1-5。
2 化学分析
猪尾管的材质（Incoloy 800H）是一种镍铁铬耐蚀合金，其中含Fe 46.0%，含Ni 30.0 %～35.0%，含Cr 19%～23%，含C不超过0.1%，另还含少量的Mn、Si、Cu、Al、Ti等合金元素。由于该合金中Ni不低于30%，（Fe + Ni）不低于60%，一般亦称其为铁镍基耐蚀合金。
从试样2端部切取30×30mm管壁样品，对其进行化学成分分析，结果见表2-1。可见，炉管材质的化学成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金成分标准。
3 金相分析
在试样1、2中间爆口（胀粗）处，切取横向金相样品，经预磨、抛光和腐刻后在显微镜下观察分析。
试样1爆口处，炉管壁明显减薄，管壁内存在大量与爆口表面平行且沿晶分布的蠕变裂纹和空洞，蠕变裂纹和空洞边缘有氧化层存在，晶内、晶界有大量析出碳化物，见图3-1。
试样2金相样品取自送检管子的中间处。管壁内存在径向蠕变裂纹和空洞，晶内、晶界有析出碳化物，这与试样1端部的管壁金相组织是相同的，见图3-2。
另外，在试样1、2内、外表面裂纹的密度都比较大，形成龟裂状态，并从裂纹边缘看已经出现了氧化腐蚀。热疲劳和高温氧化是材料发生龟裂的主要原因，由于龟裂的出现，加剧了材料的蠕变破坏。因此，出口尾管的破裂是由蠕变损伤和热疲劳损伤综合作用所致。
4 扫描电镜分析
取试样1爆口表面和爆口对面处由外力打开的裂纹断口表面，利用扫描电镜对其进行微观形貌观察和元素成分能谱分析，见图4-1。
爆口表面：由于试样1爆口是在高温下破裂的，其爆口表面已经严重氧化，爆口表面所含的元素主要为C、O、Cr、Ni、Fe、Al等；并仍可以看到管子沿晶开裂的形态。
裂纹断口表面：由于试样1裂纹断口在高温下并没有完全破裂，因此，裂纹断口表面的各处有所不同，原来已经形成与内外管壁连通的蠕变裂纹处成为断口后，断口表面（图4-1中a区）与爆口表面的相貌与所含元素都基本相同。而管壁没有蠕变裂纹或蠕变裂纹很细小处成为断口后，断口表面（图4-1中b区）没有受到严重的高温氧化，因此，可以看到很清晰的沿晶断裂表面；虽然主要元素的种类与爆口表面基本相同，但O的含量明显地减少，这说明了该处没有受到高温氧化或受到的高温氧化较轻。
5 转化炉管评价分析
对7#猪尾管同组列外观检查没有裂纹的4#、5#、9#、10#、11#、12#6根转化炉管根部进行金相分析，确定是否仍可以使用。
对6根转化炉管进行金相附型检测，发现4#、5#炉管检测点显微组织为：粗化的枝晶状奥氏体+σ相+过烧孔洞，这两根炉管不具备能继续使用条件；第9#、10#、11#、12#炉管检测点显微组织为：粗化的枝晶状奥氏体+晶界析出的碳化物、金属化合物，虽受高温影响，显微组织出现过热特征，但还存在相当性能指标，可以满足工艺条件继续使用。
6 结论
通过对制氢转化炉爆裂、胀粗出口猪尾管的各项理化检验分析，得到如下结论：
1、猪尾管材质成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金的成分标准。
2、猪尾管破裂爆口（胀粗）的主要原因是蠕变开裂，而超温是导致蠕变发生的直接原因。另外，热疲劳作用也对炉管蠕变开裂起一定的促进作用。
由于炉管及猪尾管普遍发生高温蠕变，装置通过开车后将转化炉负荷控制在80%左右运行，调整堵管处的燃烧器在低负荷状态燃烧，控制炉内温度等措施，有效控制了炉管的劣化程度，转化炉得以平稳运行。在今后停车检修中，除了要定期对猪尾管的角焊缝进行着色检测外，同时要对炉管、猪尾管的外观进行物理检测（如管子的弯曲变形程度，管子外径等），以监控材质的失效情况。
参考文献：
[1].钱家麟编.管式加热炉[M].北京：中国石化出版社，2003：45-49.
[2].杜中强.新型制氢转化炉应用[J].石油化工设备技术，2005（2）：40-41.
[3].姚稷天.炼油厂制氢转化炉的设计[J].炼油设计，2001（10）：14-16.
作者简介：
杨霖（1986-），男，助理工程师，2009年毕业于大庆石油学院过程装备与控制工程专业，从事设备管理及技术改造等工作，现任中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司炼油厂加氢一车间设备助理工程师。
关键词：猪尾管；爆裂；蠕变；失效。
某炼油厂制氢装置设计生产能力为50000Nm3/h。1995年7月投入运行。转化部分采用A、B双套工艺流程。制氢转化炉炉管为国产离心铸造高温合金钢管（材质为ZG40Cr25Ni35Nb），规格为Φ123mm×10mm×14160mm。出口猪尾管为进口无缝合金管材（材质为Incoloy800H），按图纸整根冷弯成型，规格为Φ32mm×3.5mm。2008年5月，B套转化炉炉管整体更换，至2011年11月泄漏着火时，累计运行27528h。
停炉检查发现B套转化炉同一列炉管中有六根炉管（1#，2#，3#，6#，7#，8#）在出口猪尾管焊口下方200mm左右发现长约80mm的穿透性裂口，开裂处均伴有鼓包，如下图0-1。7#出口猪尾管出现一个长约100mm长的裂口，如下图0-2。
根据事故现场情况分析，发生着火的直接原因是7#出口猪尾管爆裂，氢气大量泄漏，在高温条件下产生爆燃。火焰对附近转化炉管表面灼烧，造成炉管根部不同程度的穿透裂纹。为查明猪尾管失效真实原因，我们对爆裂的猪尾管做了进一步理化分析。
1 宏观、低倍分析
1.1猪尾管取样
对7#猪尾管进行外观检查，管子外径为φ36.7mm，明显变粗。继而对所有的140根猪尾管进行外观尺寸测量，发现外径均有不同程度的增大，其中发现5根猪尾管外径增大明显，尺寸在φ34.5―φ37之间，且管子弯曲变形严重。选择爆裂的7#猪尾管和外径变粗最明显的120#猪尾管分别取一段试样命名为试样1、试样2，如图1-1，进行理化分析。
1.2 宏观、低倍分析
试样1爆口长100mm，中间最宽处有5～6mm，形状呈鱼嘴形；主爆口旁还有些小裂缝，见图1-3。试样1爆口对面外表面可见有大量凸起泡存在，并有细小裂纹沿纵向延伸；剖开管子截面，可以看见，在爆口对面管壁上有多条径向裂纹，已经基本穿透管壁，经台钳夹紧加压后管子完全开裂，见图1-4。试样2管壁上没有发现径向裂纹存在，见图1-5。
2 化学分析
猪尾管的材质（Incoloy 800H）是一种镍铁铬耐蚀合金，其中含Fe 46.0%，含Ni 30.0 %～35.0%，含Cr 19%～23%，含C不超过0.1%，另还含少量的Mn、Si、Cu、Al、Ti等合金元素。由于该合金中Ni不低于30%，（Fe + Ni）不低于60%，一般亦称其为铁镍基耐蚀合金。
从试样2端部切取30×30mm管壁样品，对其进行化学成分分析，结果见表2-1。可见，炉管材质的化学成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金成分标准。
3 金相分析
在试样1、2中间爆口（胀粗）处，切取横向金相样品，经预磨、抛光和腐刻后在显微镜下观察分析。
试样1爆口处，炉管壁明显减薄，管壁内存在大量与爆口表面平行且沿晶分布的蠕变裂纹和空洞，蠕变裂纹和空洞边缘有氧化层存在，晶内、晶界有大量析出碳化物，见图3-1。
试样2金相样品取自送检管子的中间处。管壁内存在径向蠕变裂纹和空洞，晶内、晶界有析出碳化物，这与试样1端部的管壁金相组织是相同的，见图3-2。
另外，在试样1、2内、外表面裂纹的密度都比较大，形成龟裂状态，并从裂纹边缘看已经出现了氧化腐蚀。热疲劳和高温氧化是材料发生龟裂的主要原因，由于龟裂的出现，加剧了材料的蠕变破坏。因此，出口尾管的破裂是由蠕变损伤和热疲劳损伤综合作用所致。
4 扫描电镜分析
取试样1爆口表面和爆口对面处由外力打开的裂纹断口表面，利用扫描电镜对其进行微观形貌观察和元素成分能谱分析，见图4-1。
爆口表面：由于试样1爆口是在高温下破裂的，其爆口表面已经严重氧化，爆口表面所含的元素主要为C、O、Cr、Ni、Fe、Al等；并仍可以看到管子沿晶开裂的形态。
裂纹断口表面：由于试样1裂纹断口在高温下并没有完全破裂，因此，裂纹断口表面的各处有所不同，原来已经形成与内外管壁连通的蠕变裂纹处成为断口后，断口表面（图4-1中a区）与爆口表面的相貌与所含元素都基本相同。而管壁没有蠕变裂纹或蠕变裂纹很细小处成为断口后，断口表面（图4-1中b区）没有受到严重的高温氧化，因此，可以看到很清晰的沿晶断裂表面；虽然主要元素的种类与爆口表面基本相同，但O的含量明显地减少，这说明了该处没有受到高温氧化或受到的高温氧化较轻。
5 转化炉管评价分析
对7#猪尾管同组列外观检查没有裂纹的4#、5#、9#、10#、11#、12#6根转化炉管根部进行金相分析，确定是否仍可以使用。
对6根转化炉管进行金相附型检测，发现4#、5#炉管检测点显微组织为：粗化的枝晶状奥氏体+σ相+过烧孔洞，这两根炉管不具备能继续使用条件；第9#、10#、11#、12#炉管检测点显微组织为：粗化的枝晶状奥氏体+晶界析出的碳化物、金属化合物，虽受高温影响，显微组织出现过热特征，但还存在相当性能指标，可以满足工艺条件继续使用。
6 结论
通过对制氢转化炉爆裂、胀粗出口猪尾管的各项理化检验分析，得到如下结论：
1、猪尾管材质成分除Ni含量略低外，其它元素均符合Incoloy800H合金的成分标准。
2、猪尾管破裂爆口（胀粗）的主要原因是蠕变开裂，而超温是导致蠕变发生的直接原因。另外，热疲劳作用也对炉管蠕变开裂起一定的促进作用。
由于炉管及猪尾管普遍发生高温蠕变，装置通过开车后将转化炉负荷控制在80%左右运行，调整堵管处的燃烧器在低负荷状态燃烧，控制炉内温度等措施，有效控制了炉管的劣化程度，转化炉得以平稳运行。在今后停车检修中，除了要定期对猪尾管的角焊缝进行着色检测外，同时要对炉管、猪尾管的外观进行物理检测（如管子的弯曲变形程度，管子外径等），以监控材质的失效情况。
参考文献：
[1].钱家麟编.管式加热炉[M].北京：中国石化出版社，2003：45-49.
[2].杜中强.新型制氢转化炉应用[J].石油化工设备技术，2005（2）：40-41.
[3].姚稷天.炼油厂制氢转化炉的设计[J].炼油设计，2001（10）：14-16.
作者简介：
杨霖（1986-），男，助理工程师，2009年毕业于大庆石油学院过程装备与控制工程专业，从事设备管理及技术改造等工作，现任中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司炼油厂加氢一车间设备助理工程师。