轉(zhuǎn)化爐混合原料氣盤管與集氣總管連接焊縫裂紋成因分析與對(duì)策

宗寧生，陳 江，李相鵬

（1.中國石油寧夏石化公司，寧夏 銀川 750026；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310014）

轉(zhuǎn)化爐是大型合成氨裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，混合原料氣預(yù)熱盤管（簡稱預(yù)熱盤管）與集氣總管是轉(zhuǎn)化爐必不可少的重要組成部分，擔(dān)負(fù)混合原料氣的預(yù)熱和轉(zhuǎn)化爐煙道氣熱能回收的工藝作用。由于預(yù)熱盤管內(nèi)主要介質(zhì)是易燃易爆的天然氣，因此，其運(yùn)行的安全性關(guān)系到裝置長周期運(yùn)行和企業(yè)安全生產(chǎn)。某大型合成氨裝置轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱盤管與集氣總管連接焊縫屢次出現(xiàn)穿透性裂紋，導(dǎo)致原料氣外泄，并起火燃燒，嚴(yán)重影響企業(yè)安全生產(chǎn)。

一、轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱盤管相關(guān)管系配管與用材基本情況

二、預(yù)熱盤管連接焊縫裂紋成因分析

1.預(yù)熱盤管連接焊縫裂紋出現(xiàn)狀況

盡管通過技術(shù)改造徹底解決了混合原料氣盤管超溫問題，但自從1997年10月混合原料氣盤管的1#、2#盤管在焊縫的焊接熱影響區(qū)首次發(fā)現(xiàn)裂紋（裂紋沿焊縫熱影響區(qū)周向分布長約60mm）以來，又在其他盤管再次出現(xiàn)穿透性裂紋。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，集氣管三個(gè)支座均已離地，12根預(yù)熱盤管，除1#、4#和9#管堵管外，其他預(yù)熱盤管與集氣管N9管座的異種鋼焊接接口處都發(fā)現(xiàn)了穿透性裂紋，現(xiàn)場僅在接管處做了局部堵漏處理，嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行。由于預(yù)熱盤管與集氣管焊接處的應(yīng)力狀態(tài)受混合原料氣進(jìn)氣總管、預(yù)熱盤管、集氣管及豬尾管上集氣管等相連管系，以及對(duì)流段煙道氣流流場與溫度分布的影響，應(yīng)力關(guān)系十分復(fù)雜，在沒有經(jīng)過系統(tǒng)應(yīng)力分析的情況下，1997年、1998年和1999年三次針對(duì)預(yù)熱盤管焊口裂紋問題的技術(shù)改造并未徹底解決問題。

2.預(yù)熱盤管連接焊縫裂紋成因分析

異種鋼焊接接頭一般主要指奧氏體鋼和鐵素體鋼之間的連接形式。由于滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐腐蝕性及選材經(jīng)濟(jì)性等方面的需要，異種鋼焊接廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、電站等行業(yè)的高溫管道和部件連接中。由于異種鋼焊接接頭的化學(xué)成分的不均勻性、金相組織的不均勻性和機(jī)械性能的不連續(xù)性，這種顯著的不均勻性使得焊接接頭不同區(qū)域在相同的條件下，表現(xiàn)出來的行為有很大的差異，出現(xiàn)弱化區(qū)域和強(qiáng)化區(qū)域，尤其是在高溫的條件下，異種鋼焊接接頭在服役過程中經(jīng)常出現(xiàn)早期失效。文獻(xiàn) [1]~[6]對(duì)2.25Cr1Mo與奧氏體不銹鋼堆焊接頭熔合區(qū)碳的遷移及成分分析、采用鎳基和奧氏體焊材焊接接頭的高溫性能、高溫臨氫管線和加氫裂化反應(yīng)裝置中異質(zhì)焊接接頭的顯微組織特征及其在高溫下的失效形式、以鎳基焊材作為填充材料的鍋爐異種鋼接頭焊接工藝等方面進(jìn)行了研究。研究表明，對(duì)異種鋼接頭的破壞原因比較一致的意見是：異種鋼接頭的破壞，主要是由于在惡化了的顯微組織區(qū)內(nèi)產(chǎn)生局部應(yīng)變，超過了材料的允許范圍。

由于原料混合預(yù)熱盤管材料為A312TP347H（奧氏體不銹鋼）是通過材料為SA182-F22Cr1Mo）（鐵素體合金鋼）的鍛件管座與N9連接，因此，盤管與N9管座之間屬于異種鋼焊接。正常操作情況下N9出口原料氣體出口溫度為550℃，而轉(zhuǎn)化爐在1999年技術(shù)改造前一直處于超溫運(yùn)行狀況，N9出口溫度高達(dá)580℃。由于對(duì)流段煙道氣引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，導(dǎo)致煙道氣偏流，使經(jīng)過1#預(yù)熱盤管煙道氣溫度與較經(jīng)過12#預(yù)熱盤管煙道氣溫度高10~20℃，因此，1#預(yù)熱盤管的壁溫將最高，與文獻(xiàn) [7]實(shí)際測定吻合。

根據(jù)轉(zhuǎn)化爐安裝資料記錄，該焊口采用了奧氏體焊條焊接，因此，該焊口存在碳的遷移傾向。由于溫度越高越有利于碳遷移的發(fā)生，這與企業(yè)設(shè)備操作與檢修記錄中1#預(yù)熱盤管異種鋼焊口最早出現(xiàn)裂紋的結(jié)論一致。所以，轉(zhuǎn)化爐原料氣預(yù)熱盤管的異種鋼焊口出現(xiàn)裂紋是由于異種鋼焊縫碳遷移并在管系應(yīng)力的聯(lián)合作用下而導(dǎo)致的，出現(xiàn)在焊縫機(jī)械性能最薄弱的位置（靠近管座側(cè)熱影響區(qū)）。

三、預(yù)熱盤管連接焊縫裂紋預(yù)防對(duì)策

研究表明，用奧氏體焊條焊接異種鋼（A312TP347H與SA182-F22（Cr1Mo）的焊接接頭，500℃以上時(shí)高溫運(yùn)行碳的遷移不可避免。同時(shí)，關(guān)于采用不同焊接材料對(duì)異種鋼焊接接頭性能的影響研究和工程應(yīng)用表明，采用鎳基焊條有以下優(yōu)點(diǎn)：①鎳基焊條形成的焊縫由于Ni元素含量很高，能夠有效地抑制碳遷移的發(fā)生，從而在服役壽命內(nèi)延緩碳遷移的發(fā)生，如果合金元素搭配合理，即使在服役初期發(fā)生了輕微的碳遷移，在隨后的服役中已經(jīng)發(fā)生的碳遷移也會(huì)漸漸消失。②鎳基焊條形成的焊縫的熱脹系數(shù)與母材相差不大，不會(huì)引起較大的熱應(yīng)力。③鎳基合金的高塑性和高溫強(qiáng)度對(duì)于緩解近縫區(qū)應(yīng)力有很大的幫助。

解決轉(zhuǎn)化爐原料氣預(yù)熱盤管異種鋼焊口出現(xiàn)裂紋問題，可通過改造N9外出管道，如增加柔性元件或改變管道走向等，降低焊口處綜合應(yīng)力水平，同時(shí)，采用鎳基焊條修復(fù)異種鋼焊口，此外，嚴(yán)格控制預(yù)熱盤管與N9超溫運(yùn)行。

四、工程改造與考驗(yàn)效果

采用ANSYS有限元軟件，對(duì)轉(zhuǎn)化爐原料混合氣預(yù)熱盤管及其管系進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，分析比較了盤管現(xiàn)有運(yùn)行狀況、膨脹節(jié)改造方案、管道走向改變改造方案等情況下的位移和異種鋼焊縫處最大軸向應(yīng)力，最后，采用改變管道走向改造方案進(jìn)行工程實(shí)施，并采用鎳基焊條修復(fù)異種鋼焊口。自2007年改造后運(yùn)行至今，連接焊縫再未發(fā)現(xiàn)裂紋，證明解決方案是成功的。

[1]姜勇等.采用鎳基和奧氏體焊材焊接Cr5Mo鋼焊接接頭的高溫性能 [J].壓力容器.

[2]姜勇.鎳基和奧氏體的Cr5Mo異種鋼焊接接頭的高溫性能研究.南京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[3]產(chǎn)天文.以鎳基焊材作為填充材料的鍋爐異種鋼接頭焊接工藝制度的試驗(yàn)研究.武漢水利電力大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[4]鄒楊.高溫臨氫管線和加氫裂化反應(yīng)裝置中異質(zhì)焊接接頭的顯微組織特征及其在高溫下的失效行為研究.武漢大學(xué)博士學(xué)位論文.

[5]張從平.2.25Cr1Mo奧氏體不銹鋼堆焊接頭熔合區(qū)碳的遷移及成分分析 [J].電焊機(jī).

[6]黃文長等.珠光體-奧氏體異種鋼焊接接頭中碳遷移的跟蹤觀測[J].機(jī)械工程材料.

[7]廖新文，悅仲林.一段轉(zhuǎn)化爐混合原料氣盤管超溫原因分析及工藝處 [J].化肥設(shè)計(jì).