Рис. 7. Фотографии микроструктуры поверхности шлифа. x100

Авторы: В.А. Платонов, М.С. Трещёва, С.В. Панченко, Ю.Н. Тюрин, С.В. Дьяконов (ОАО «НОРЭ»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2015

Реакционная трубчатая печь в производстве аммиака является одним из наиболее ответственных агрегатов. Именно в трубчатой печи происходит получение водорода, участвующего в синтезе аммиака. Паровой риформинг метана осуществляется внутри реакционных труб, обогреваемых газовыми горелками топочной камеры печи.

Расчетный срок службы реакционных труб составляет 105 ч. На практике фактический срок службы в зависимости от условий эксплуатации может быть в 1,5–2 раза больше и определяется, как правило, состоянием элементов, расположенных в топочной камере печи.

Реакционные трубы выполняются из высоколегированного аустенитного никелевого сплава методом центробежного литья. Верхние части реакционных труб (оголовки), находящиеся за пределами топочной камеры печи, традиционно выполнялись из более дешевой теплоустойчивой стали типа 15ХМ. В последние годы в мировой практике для изготовления оголовков нашли применение высоколегированные стали аустенитного структурного класса, которые обладают большей жаропрочностью, чем хромомолибденовые стали. Кроме того, выбор аустенитных материалов для изготовления оголовков объясняется тем, что сварка материалов одного структурного класса вызывает меньше технических сложностей и более надежна в эксплуатационном плане.

В цехе по производству синтетического аммиака летом 2012 г. была проведена реконструкция трубчатой печи первичного риформинга с заменой трубных элементов реакционной части. В ходе реконструкции в реакционной печи были установлены трубы с оголовками, изготовленными из стали ASME 312 TP304H (приблизительный отечественный аналог стали 08Х18Н9). Зимой 2014–2015 гг. был зафиксирован выход из строя оголовков двух реакционных труб, связанный с появлением сквозных трещин в основном металле.

Во время остановочного ремонта был выполнен дефектоскопический контроль оголовков реакционных труб с использованием ультразвукового дефектоскопа на фазированных решетках HARFANG. Было установлено, что значительная часть оголовков имеет дефекты в виде трещин, растущих с внутренней поверхности труб.

Рис. 1. Зона образования трещин на оголовках реакционных труб
Рис. 1. Зона образования трещин на оголовках реакционных труб

Зона образования трещин соответствует приблизительно торцу «пробки» (рис. 1). При осмотре внутренней поверхности оголовков с помощью эндоскопа была обнаружена сетка трещин, выходящих на внутреннюю поверхность (рис. 2). В зоне образования трещин и на прилегающих сверху участках обнаружены следы мелкодисперсных отложений в виде белесых пятен. Ранее обнаруженные раскрытые сквозные трещины были ориентированы перпендикулярно оси труб (рис. 3).

Рис. 2. Сетка трещин на внутренней поверхности оголовка реакционной трубы
Рис. 2. Сетка трещин на внутренней поверхности оголовка реакционной
трубы

Для установления причин выхода из строя металла оголовков был выполнен комплекс исследований, включавший анализ химического состава материала и металлографические исследования.

Рис. 3. Сквозная трещина оголовка реакционной трубы
Рис. 3. Сквозная трещина оголовка реакционной трубы

По результатам анализа химического состава материала оголовка подтверждена марка материала, указанная в поставочной документации, – ASTM A312 ТР304H.

При измерении твердости установлено, что твердость металла оголовка составляет ~160НВ, что удовлетворяет требованиям стандарта на материал (по стандарту твердость металла не должна превышать 201НВ).

Для проведения металлографических исследований из дефектного участка трубы был вырезан образец и выполнен шлиф, перпендикулярный оси трубы (рис. 4).

Рис. 4. Образец для металлографических исследований. На поверхности шлифа видны тонкие радиальные трещины, растущие с внутренней поверхности оголовка
Рис. 4. Образец для металлографических исследований. На поверхности шлифа видны тонкие радиальные трещины, растущие с внутренней поверхности оголовка

По результатам металлографических исследований установлено, что металл оголовка имеет аустенитную микроструктуру, типичную для своего класса сталей.

Рис. 5. Кромка со стороны внутренней  поверхности. Начало трещины
Рис. 5. Кромка со стороны внутренней поверхности. Начало трещины

Начало всех радиальных трещин лежит на внутренней поверхности. Одна из видимых на шлифе радиальных трещин – сквозная (рис. 5, 6). Трещины имеют смешанный характер – как транскристаллитные, так и межкристаллитные. Крупные трещины имеют ответвления, как короткие, так и соединяющиеся с соседними трещинами (рис. 7, 8).

Изменений в микроструктуре металла, характерных для высокотемпературной ползучести, обнаружено не было.

Рис. 6. Кромка со стороны наружной поверхности. Выход трещины на наружную поверхность
Рис. 6. Кромка со стороны наружной поверхности.
Выход трещины на наружную поверхность

По характеру развития трещин было сделано предположение, что причина появления трещин – коррозионное растрескивание под напряжением: зарождение множественных трещин со стороны контакта с коррозионной средой, характерное разветвление и слияние трещин. Наличие как поперечных, так и радиальных трещин можно объяснить тем, что оголовки нагружены внутренним давлением рабочей среды (радиальные трещины) и собственной массой трубных секций (поперечные трещины).

Рис. 7. Фотографии микроструктуры поверхности шлифа. x100
Рис. 7. Фотографии микроструктуры поверхности шлифа. x100

Была выполнена тепловизионная съемка реакционных труб, находившихся в эксплуатации. Тепловой контроль проводился при фоновой температуре окружающего воздуха 23°С. Было установлено, что в зоне расположения «пробки» температура поверхности оголовка составляет 170…220°С (рис. 9). На термограмме явственно видна граница, соответствующая расположению торца «пробки», ниже которой температура наружной поверхности оголовка превышает 300°С.

Рис. 8. Фотографии микроструктуры поверхности шлифа. x500
Рис. 8. Фотографии микроструктуры поверхности шлифа. x500

Температура конденсации водяного пара при рабочем давлении парогазовой смеси (3,8 МПа), подаваемой в реакционные трубы, составляет ~250°С. Весьма вероятно, что при низкой температуре окружающего воздуха в зазоре между оголовком и «пробкой» могут создаваться условия для образования конденсата из парогазовой смеси. Наличие участков поверхности с белесыми отложениями в местах образования дефектов может соответствовать зонам, в которых происходит повторное вскипание конденсата, при испарении которого образуются отложения, содержащие в концентрированном виде примеси из водяного пара. При повторном увлажнении отложений возможно образование высококонцентрированных растворов коррозионно-активных веществ, в том числе содержащих хлориды.

Рис. 9. Термограмма оголовка
Рис. 9. Термограмма оголовка

Сталь ASTM A312 304H (аналог отечественной стали 08Х18Н9) является аустенитной нестабилизированной сталью и не обладает достаточной коррозионной стойкостью в жидких средах, могущих содержать хлориды и другие вещества, способные провоцировать коррозионное растрескивание под напряжением (КРН).

Существующее материальное исполнение оголовков принято по проектам, прошедшим апробацию на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии. Климатические условия в этих регионах исключают охлаждение металла элементов трубчатой печи до температуры, при которой происходит конденсация пара. В российских условиях стабильная работа оголовков возможна при температуре стенки, превышающей температуру конденсации при заданном давлении. Во избежание повторного образования конденсата на внутренней поверхности оголовков было рекомендовано выполнить тепловую изоляцию оголовков.

При заказе трубных элементов печи необходимо учитывать положительный опыт эксплуатации оголовков из сталей, не склонных к коррозионному растрескиванию в среде, содержащей хлориды (типа 15ХМ).