乙烯裂解炉管裂纹原因分析

HEATS

　　某化工厂的乙烯裂解炉是该厂核心设备，其中的炉管又是关键部件。炉管材质为ZG4Cr20Ni25(HK-40)钢。运行时炉管外壁温度高达950℃～1100℃，管内压力为0.3～0.5MPa，经常出现停车现象。在第二次清焦和检测时发现其中1根炉管外表面有一长约5mm，宽约0.1mm，深约0.1mm的裂纹。该炉管累计运行仅5000h，大大低于乙烯裂解炉管的设计寿命1×105h。如此过早失效是罕见的。为此我们对其进行了检验分析，试图找出导致炉管早期开裂的原因。

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　　(1)宏观检测从该化工厂的乙烯裂解炉管上选取两段试样。A段带有上述裂纹，B段则无裂纹。将A，B段炉管分别沿轴线锯开后，发现两段管内壁明显不同，A段内壁比B段的颜色黑。为此取A段试样的一半磨制和抛光后进行腐蚀。结果证实A段已明显渗碳(如图1)。图中颜色较深者即为渗碳层。可以看出最大渗层已达管壁厚度的一半。

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　　(2)化学成分分析表1为化工厂提供的炉管标准成分及试样测得的化学成分。经分析A段炉管的实际碳含量低于标准的下限。研究表明，HK-40钢的碳含量在0.38%～0.45%范围内时其抗渗碳能力最强；碳含量低于0.35%时抗渗碳能力明显下降。另外HK-40钢碳含量对蠕变断裂强度也有很大影响(见图2)。当碳含量低于0.35%时蠕变断裂强度快速下降，也是导致裂纹过早产生的一个原因。

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　　(3)渗碳引发裂纹根据Fe、Cr、C三元相图可知，HK-40钢渗碳后渗层中的Cr23C6转变为Cr7C3，Cr7C3是一种密度比Cr23C6低的碳化物，这就导致渗层体积膨胀。另外Cr7C3的热膨胀系数也低于Cr23C6。炉管内壁渗碳，未渗碳的管外壁就要受到拉应力作用。另一方面，因渗碳层热膨胀系数的降低，在裂解炉管停炉降温时，管内壁受压，外壁受拉。在开炉升温时，则内壁受拉，外壁受压。特别是如果停炉降温或开炉升温过快，应力骤变更易产生裂纹。

　　通过以上检验分析可以得出以下结论：①裂纹产生的主要原因为HK-40钢含碳量偏低导致其抗渗碳能力降低及钢的蠕变断裂强度降低；②频繁开停炉也是此裂纹过早产生的一个重要原因。 【MechNet】

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