張廷才魏堅軍
（廣州石化分公司煉油四部，機動部，廣東廣州，510726）
摘要：通過對一段轉化爐上髮夾管受力分析、裂紋特徵、斷面金相、電鏡掃瞄、微區能譜、材質等分析，找出了上髮夾管開裂的原應是應力腐蝕斷裂，進而提出了修復辦法及防護措施
關鍵詞：上髮夾管開裂原應分析修復
1、 引言
廣州石化煉油四部製氫轉化爐是由原化肥合成氨裝置一段轉化爐區域性改造而成的大型工業爐。該爐有兩個平行排列的輻射室，每個輻射室有五組豎直安裝的離心澆築爐管。原料氣由對流段換熱器預熱後，經上集氣管分別進入ａ、ｂ兩室的上髮夾管，然後分別進入ａ、ｂ兩室各１４５根轉化管完成轉化反應，反應後的氣體再經過相對應的下發夾管進入１０個下分集氣管，最後集合在下集氣總管輸送去二段轉化爐。
２０００年至２００３年該裝置一直處於停車保護狀態，２００３年８月合成氨改制氫專案正式啟動，在本次大修檢測中，發現共有２6根上髮夾管焊縫熱影響區有裂紋，上集氣管、上髮夾管、爐管等構件的連線如圖1所示。由於一段轉化爐工作條件苛刻，分析清楚裂紋產生的原應及合理地處理修復裂紋，對該裝置的安全執行有著極其重要的作用。
圖1：上髮夾管與上集氣管及爐管的連線示意圖
2、 裂紋形狀及分布狀況
上髮夾管的裂紋主要分布在焊縫熱影響區和熔合線附近。且裂紋均由遠爐膛側向近爐膛側發展，裂紋外貌見圖2、圖3。
圖2：上髮夾管與上集氣管承插焊口圖3：上髮夾管與下發蘭對接焊口
處的裂紋（已擴充套件到2/3管周處的裂紋（已擴充套件到1/2管周）
本次檢測對上髮夾管100%著色檢測，裂紋的分布情況詳見表1。
表1 裂紋在上髮夾管的分布情況
3、 原因分析
2.1上髮夾管受力情況分析
2023年，為改變轉化管在執行中彎曲變形嚴重的弊端，對爐管的支撐方式作了重要的改造，轉化管原設計由爐管底部支撐座獨立支撐，整個爐管及觸媒的重量（557kg+100kg）完全由下部支撐座支撐，這樣爐管在高溫下極易產生彎曲應力及震動，致使爐管彎曲，觸媒震碎，導致管內氣流阻力增大，使爐管超溫。90年將爐管更換為美國生產的wiscalloy25-35nb管後，採用了立式恒力吊架（型號為lh15）在上面吊著爐管上法蘭， lh15立式恒力吊架是按照jb2654-81技術條件生產製造，，詳見圖4。wiscalloy25-35nb管的熱態伸長量約為170mm,而每個彈簧吊架最大的垂直位移為190 mm，彈簧吊架正常拉力為爐管及觸媒總重量的95%，因此彈簧吊鏈不會將爐管吊離下支撐座，而爐管總重量的5%仍由下支撐座支撐。
這種改造，大大減小了由於爐管自重和介質衝擊而引起的爐管彎曲應力及爐管震動，對延長爐管的壽命起到了很好的保護作用。上發卡管在冷態時的平衡狀況下， 當爐管吊夾的拉力小於爐管總重的時候（正常操作狀態），上髮夾管的受力情況很簡單，只受重力和拉力h1。參見圖5（圖中g為上髮夾管的重力，h1、ｖ１、分別為1-1截面處的豎直方向和水平方向的支反力、ｍ１為1-1截面處的彎距。
v2為2-2截面處水平方向的支反力。n為爐管和彈簧拉鍊作用在上髮夾管下端的豎直向上的力）。
圖４：爐管被恒力彈簧吊架吊住圖５：上髮夾管受力簡圖
對1-1截面,在正常受力狀態下：
σm1-1=0
m1-g*1256.88-v2*2620-n*(1256.88-382)=01]
式中v1=v2=02]
h1=g ，n=03]
由[1]-[3]可得：
m1= g*1256.88-h1*3824]
這個力矩很小，由其引起的內應力也很小，在冷態下和熱態下都對上髮夾管引不起損害。
但當恒力彈簧吊架操作不正確的情況下時，彈簧支架的拉力大於或遠大於爐管的總重力的時候,彈簧吊夾和爐管給上發卡管乙個向上的力n，且產生如圖5所示支反力，在這種情況下，其受力狀況發生很大變化，此時對1-1截面有：
σm1-1=0
m1-g*1256.88-v2*2620-n*(1256.88-382)=0
式中：n=g+h1, n≠0, v1=v2≠0
得: m1= g*1256.88+v2*2620+(1256.88-382))*(h1+g5]
對比[4],[5]式不難看出，當彈簧吊架操作不正確時，此時產生的彎距m1（即[6]式）遠大於[4]式中的彎距值。
圖６：上髮夾管受到向上的力ｎ變形示意圖圖7：上髮夾管外表面金相分析
對上發卡管本身而言，在受壓力n的情況下，上發卡管發生彈性變形，變形前後如圖６所示,根據應力疊加的原理，結合文獻[１]可知，對於上髮夾管存在兩個危險截面1-1，2-2。由於壓力n的增大及上發卡管嚴重的彈性變形，在兩個危險截面產生較大應力，雖然我們上不能測出準確的應力值，但可以定性地分析出此時上發卡管的受力已明顯增大了許多。且危險截面的遠爐膛側管壁呈拉應力。
同時，焊縫的熱影響區本身不可避免的存在著應力集中，通過應力疊加，危險截面遠爐膛側管壁呈現出較大的拉應力。
2.2上發卡管受到的壓力n的存在已被證實
爐管上法蘭邊緣距爐頂鋼板的距離d原設計值為135mm,也就是說，在冷態下，當d=135時，表明爐管下端沒脫離支承座，但本次大修時，拆除彈簧吊夾後的測量值都大於135 mm,幾乎每根管都有不同程度的公升高，抽查部分轉化管的d值見表2，這說明爐管已被提起脫離了下支撐，當冷態時,拆除彈簧吊架後，爐管仍然不能復位，d值仍大於135 mm，這是由於爐管下部的陶粒滾入爐管支撐座，將爐管撐起的緣故。往常大修中，檢修單位憑藉經驗，在冷態下將彈簧吊架調緊到用手左右推不動為止，年復一年，爐管被逐漸拉高，爐管下部的陶粒繼續滾入爐管支撐座，所以當冷態下拆除彈簧吊架後，爐管仍然被陶粒撐起，上髮夾管仍然受到乙個向上的壓力n。
表2：爐管上發蘭面據爐頂鋼板的距離d值
2.2 材質分析
上髮夾管的材質為astma312tp321h相當於國內cr18ni10ti，屬奧氏體不鏽鋼。這種材質易發生晶間腐蝕和應力腐蝕,對上髮夾管外表面取點進行金相分析,結果如圖7, 晶間腐蝕只發生在表面0.2-0.
3mm的表面層。對裂紋附近及焊縫熱影響區和遠離焊縫的部位進行化學成份分析，見表3。
表3 astma312tp321h材質成份分析
化學成份分析表明，焊縫熱影響區和遠離焊縫區的材料的成份都符合astma312tp321h不鏽鋼的成份要求，但是焊縫熱影響區的ti/c偏低，遠離焊縫區的ti/c符合要求（根據國標ti≥5×c%）。由於ti/c偏低，降低了材料抗腐蝕的能力。
2.3 裂紋主要特徵及斷面分析
2.3.1裂紋主要特徵分析
根據對裂紋的分析，可以看出裂紋在巨集觀上有以下幾個特點：
1) 在整個化肥生產過程中，沒有發生過開裂事故；而在停工後四年時間內出現開裂現象。
2) 裂紋發生在上夾發管焊縫熱影響區內，距離熔合線5~20mm範圍內。
3) 裂紋粗大，裂紋的發展呈由外到裡發展。
4) 裂紋斷口表面凹凸，沒有明顯的塑性變形，屬於脆性斷裂。
5) 管內表面光滑，無明顯的腐蝕現象，管外有明顯的腐蝕缺口（如圖8），圖9很明顯地看到裂紋起源於外壁，由外向裡發展。
圖8：裂紋斷口圖9：裂紋斷樣
2.3.2金相截面觀察
對斷口截面觀察，金相圖見圖10，圖11，可以看出，二次裂紋均呈延晶開裂，除圖10，圖11外，在其他各場均觀察到大量的沿晶裂紋，同時也觀察到，裂紋從外壁開始，沿晶界向內發展。
圖10：金相截面之一圖11：金相截面之二
2.3.3斷面掃瞄電鏡形貌分析
掃瞄電鏡形貌觀察中，看到埠有大量塊狀物，詳見圖12、圖13。
圖12： 電鏡形貌之一圖13電鏡形貌之二
2.4微區能譜分析
分別對斷口、金屬基體、管內壁和管外壁進行能譜分析，結果如表4。
表4 能譜分析各元素含量表（w%）
不鏽鋼應力腐蝕開裂通常是由介質中含有氯化物或硫化物而引起的。由表中可以看出，斷口的成份分析中，沒發現氯，而硫元素在可檢測元素中質量份數為1.37%（在斷口另一微區能譜分析中，也沒檢出氯，硫元素的質量分數為0.
95%），在金屬基體，不含可檢測量的硫元素和氯元素，管的內壁和外壁均有硫和氯元素，外壁的硫元素含量（質量份數為1.01%）高於內壁的硫元素含量（0.15%），內外壁的氯元素含量均較低（質量份數分別為0.
21%和0.25%）。由此可見，上髮夾管焊縫腐蝕開裂是由硫化物所引起的沿晶型開裂。
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