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摘 要：本文通过分析吉林石化乙烯厂乙烯裂解炉装置10#裂解炉渗碳后的炉管性能变化及主要失效形式进行判废分析，综合考虑提高炉管运行周期的措施。
关键词：裂解炉 炉管 渗碳失效
裂解炉是乙烯装置的龙头，原料经过裂解炉的高温裂 解过程生产乙烯。由于原料不同，裂解炉分为气体炉、轻 油炉和重油炉。裂解反应在生成乙烯、丙烯的同时，在高 温条件下还有焦的生成，在裂解炉炉管内表面形成的焦降 低了传热效率，使传热阻力变大，造成炉管的壁温随着运行天数的增加而升高，在结焦厚的地方，炉管表面会出现 热点，影响炉管寿命。为消除这些影响，需要定期进行在线烧焦。随着裂解技术的发展，炉管所处工况条件更为苛刻，炉管不仅工作温度高（壁温800℃一 1200 ℃），而且内壁受物料的硫化和强烈的渗碳气氛作用，外壁承受高温氧化作用，使炉管发生早期损坏。10#炉两侧的炉膛内辐射段炉管材质为G-X40NiCrSiNb35-25，G-X45NiCrSiNb45-35，32Cr20NiNb，A106GR.B。
1 渗碳后炉管的主要失效形式
1.1金属粉化
炉管渗碳后，如果形成很高的碳浓度和 很陡的碳梯度，则会诱发产生金属粉化。这种粉化是种异常的高温腐蚀形式，又叫“灾难性渗碳”。粉化常呈点蚀坑形式，在气流速度很高时会呈均匀减薄形式，金属粉化使管壁减薄，最终导致失效。
1.2 蠕变破坏
炉管渗碳后，基体中大量铭的碳化物析 出使基体软化，高温持久强度降低，持久塑 性提高，尤其是炉管使用中结焦引起局部过 热，造成蠕变损伤，最终可导致失效。
1.3 热疲劳损坏
炉管渗碳后抗热疲劳性能会降低，例如 未渗碳试样在1000-C下进行水淬，循环150 次才出现裂纹，而渗碳试样65次就出现裂 纹。因此，渗碳炉管在开、停车和升、降温 中最易产生热疲劳损坏。
2 炉管的抗渗碳预防措施
要减少和防止渗碳，应从炉管材料、炉管的表面处理、乙烯裂解工艺的控制等方面着手解决。
2.1 改进炉管材料
长期以来，为延长炉管的使用寿命，从改善合金组织出发，进行了大量的合金化研究工作。炉管成分设计从单纯提高 Cr.Ni含量到日益重视发挥其它微量合金元素的作用。微量合金元素的应用，不仅提高了炉管的高温力学性能，也一定程度改善了管材的抗渗碳性能。
对目前广泛应用的Fe-Cr-Ni耐热合金钢，其主要合金元素对抗渗碳的影响如下。
2.1.1 Cr、Ni的影响
Cr、Ni含量与离心铸造Fe-Cr-Ni炉管抗渗碳性能的关系：当Cr,Ni含量增加时，材料的抗渗能力提高，并且Cr的作用比N1的更大。
2.1.2 W、Mo、Nb、Si及微量稀土元素的影响
辅加元素W、Mo、Nb、Si对HP (Fe-0. 5C-25Cr-35Ni-lSi-Mn)合金的抗渗碳性能的影响。这几种合金元素均具有改善材料抗渗碳性能的作用，但W和Si 最为有效。目前，某些生产厂家还通过在炉管材料中添加稀土元素来进一步提高材料的抗渗碳性能。
2.1.3 合金元素的作用机制
各种合金元素改善材料抗渗碳性能的作用机制是不同的。研究表明"'Cr与Si、Nb是通过在材料表面优先形成氧 化膜来阻止碳的渗入• W、Mo则相对富积于氧化膜之下的贫 Cr区，通过降低碳在该区的活度.来降低碳向内部的扩散速度。Ni则是降低碳在合金中的溶解度血。另外.固溶于奥氏体 中的Si也有降低碳扩散系数的作用。微量稀土元素Ce、Y等在钢中具有“活性元素效应”(Reactive element effect)[IO "J. 它们对抗渗碳性能的促进作用可能是通过促进表面氧化膜形成和提高氧化膜的稳定性来达到的。
2.2 表面处理
炉管的渗碳是从表面开始的，炉管材料整体成分的调整 对抗渗碳的作用也主要是通过形成表面氧化膜来起作用的。另一方面，材料整体合金化也有许多局限性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此.运用表面技术对炉管表面进行合金化，或形成涂层，在表面形成渗碳阻挡层.是提高炉管抗渗碳性能的一个重要发展方向。
钢件渗铝后，通过扩散处理可在次表面形成多种金属化合物在表面通过预氧化，可形成致密的AlzOa保护膜。加拿大一家公司的试验结果十分具有 说服力，他们对采用Incoloy 802制造的裂解炉辐射段炉管进行了气相扩散渗铝，经过三年半的生产试验表明，未处理的炉管，其壁厚减薄20%,并发生了严重的渗碳；而渗铝管壁厚仅减薄了 0. 25in.,剖面金相检测未发现渗碳现象。
硅是抗渗碳的有效元素，在铸造Fe-Cr-Ni合金中，其加 入量一般在2%左右。加入量超过此限，将出现脆性相，材料 塑性严重降低。美国专利4099990通过烷氧基硅的气相热解沉积.使炉管表面形成硅保护层，阻止渗碳，抑制结焦。但这种气相沉积得到的主要为单质硅，沉积层与基体结合力不高，影 响其抗冲刷磨损的能力。采用其它方法,在炉管表面获得抗渗 碳硅化合物渗层，渗层与基体的结合强度比单质硅沉积层与 基体的显然要高,预计其综合性能将会更好。
现代表面处理技术发展的一个重要方向是多元复合处 理。文献口6]提出的用来处理Fe-Cr-Ni合金的表面合金化技术.是首先将Al、Cr等合金元素沉积到Fe-Cr-Ni基体上，然后进行热处理，从而得到富含Si.Ti.Cr.Al的复合保护膜.提高了合金的抗渗碳性能
2.3 调整裂解工艺
结焦与渗碳有着一定的关系通过对裂解原料及工艺 的调整，来抑制结焦，也可减少炉管的渗碳小入
2.3.1 改变裂解反应条件
当原料一定时，短停留时间和低反应温度有利于改善结焦。但是，要考虑乙烯收率,需要有一定裂解深度，所以通常是以降低烃分压来改善炉管结焦。
2.3.2 裂解原料预处理
用加氢、芳烷抽提等工艺，降低芳烃含量，提高氢含量。原料经加氢处理后，脱硫、脱氮，并使双烯烃、烯烃饱和。随着加氢深度的提高，多环芳烃饱和成单环芳烃，单环芳农转化成环烷烃，多环环烷烃也可开环成单环烷基环烷烃，从而提高油品质量，改善炉管结焦状况，并提高烯烃收率。
2.3.3 添加结焦抑制剂
在裂解原料中加入结焦抑制剂可减少结焦量。常用的结焦抑制剂有：1)硫化物，如元素硫、HzS、二苯硫化物等。HzS具有强烈阻止Fe渗碳的作用脂肪族聚硅氧烷，如二已基聚硅氧烷、二甲基聚硅氧烷等；2)碱金属或碱土金属化合物， 如CH3COONa,K2CO3等。碱金属段酸盐的抑制效果比无机 盐的要高3〜4倍。3)含磷化合物，如磷化氢、亚磷酸盐等。
2.3.4 改善炉管内壁机加工质量
炉管内表面的光滑程度不仅影响流体运动，疏松、粗糙的表面还易于碳的积聚。对于离心浇铸的炉管，其铸态内表面是疏松多孔的，孔内不易形成氧化膜，渗碳气氛扩散进入孔内会形成死气，利于渗碳6气这一过程如图4所示5。因此，炉管内壁必须经过机械加工。Hochman的研究表明饱.机加工质量对渗碳也有影响。通过磨削加工，降低表面粗糙度,从而减小金属表面积，降低炉管与含碳气氛界面的反应速度。机加工 增加管壁表面位错密度,这对渗碳有两方面的影响。一方面, 高的位错密度利于活性碳原子的吸附，有可能加速渗碳；另一 方面，当材料含有一定量Si时,高的位错密度有利于形成连 续的SiO2表面膜，阻止碳的渗入
3 结论
炉管的渗碳严重影响炉管寿命与乙烯生产。通过合理设计炉管材料成分、开发新的炉管表面处理工艺及改进乙烯裂解工艺等，判断失效方式，可提高炉管的抗渗碳性能，延长其使用寿命。
参考文献
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论文作者:卢思屹1,田耕玮2,韩飞龙3
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第15期
论文发表时间:2019/9/19
标签：炉管论文; 渗碳论文; 结焦论文; 合金论文; 表面论文; 乙烯论文; 材料论文; 《工程管理前沿》2019年第15期论文;