換轉(zhuǎn)爐豬尾管泄漏原因分析及改進(jìn)

劉巧玲

作者通聯(lián)：華電榆林天然氣化工有限責(zé)任公司機(jī)動(dòng)處 陜西榆林市上郡南路4號(hào) 719000

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換轉(zhuǎn)爐是甲醇裝置生產(chǎn)中的重要設(shè)備（圖1），設(shè)備集換熱與反應(yīng)為一體，共有轉(zhuǎn)化管128根，分為東爐、西爐，東西爐中間設(shè)備為二段轉(zhuǎn)化爐，東西爐結(jié)構(gòu)一樣，各有64根轉(zhuǎn)化管（共四排，每排16根）。轉(zhuǎn)化管為套管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)管裝有觸媒，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)（N1為進(jìn)口，N2為出口），外管走熱氣體與內(nèi)管換熱（N3為進(jìn)口，N4為出口），N3 豬尾管是該設(shè)備溫度最高的部件，管兩端分別與轉(zhuǎn)化管下部及集氣管焊接。

圖1 換熱爐設(shè)備

前系統(tǒng)來(lái)的480℃天蒸混合氣體進(jìn)入N1 集氣管（共4根），通過(guò)N1 豬尾管進(jìn)轉(zhuǎn)化管內(nèi)管加熱反應(yīng)，反應(yīng)并加熱后的700℃轉(zhuǎn)化氣通過(guò)N2 豬尾管進(jìn)N2 集氣管（共4根）匯總后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，在二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)反應(yīng)后的900℃高溫氣體通過(guò)高溫輸氣管進(jìn)入N3 集氣管，再通過(guò)N3 豬尾管進(jìn)入轉(zhuǎn)化管外管，經(jīng)換熱降溫為560℃后從N4 豬尾管進(jìn)N4 集氣管（共4根）匯總進(jìn)入后系統(tǒng)。

一、換轉(zhuǎn)爐運(yùn)行情況

甲醇裝置換轉(zhuǎn)爐N3 豬尾管（保溫層外纏玻璃絲布），見(jiàn)圖2，因運(yùn)行溫度高、壓力大等苛刻的操作條件，從2006年5月開(kāi)始便頻繁出現(xiàn)不同部位的泄漏，進(jìn)行減負(fù)荷微正壓補(bǔ)焊處理后維持運(yùn)行。2007年5月對(duì)256根N3 豬尾管全部重新更換，2008年3月因裝置斷電，N3 豬尾管焊縫出現(xiàn)了一處裂紋，以后運(yùn)行時(shí)N3 豬尾管總計(jì)出現(xiàn)裂紋29 處并泄漏，裂紋分布在豬尾管母材處（圖3），也有分布在與集氣管及轉(zhuǎn)化管焊縫焊接影響區(qū)的（圖4），長(zhǎng)的裂紋100mm，短裂紋有10mm。

圖2 換轉(zhuǎn)爐N3 豬尾管

二、金屬材料高溫蠕變概念和典型蠕變曲線

圖3 N3 豬尾管母材裂紋泄漏

大多數(shù)化工容器及受壓元件是在高于室溫條件下工作，金屬材料的強(qiáng)度隨溫度而發(fā)生變化。對(duì)所謂高溫壓力容器要區(qū)別兩種不同的情況，一是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以下，在彈性力學(xué)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)是以該材料在工作溫度下的機(jī)械強(qiáng)度為準(zhǔn)則，按通常的安全系數(shù)選取許用應(yīng)力。二是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以上，此時(shí)必須考慮材料的蠕變特性，在斷裂力學(xué)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命來(lái)確定許用應(yīng)力。

蠕變溫度是指材料開(kāi)始呈現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的溫度。對(duì)各種不同材料蠕變溫度是不同的，一般金屬材料的蠕變溫度Tc大體上為：碳鋼Tc≈425℃，低合金鋼Tc≈500℃，耐熱合金鋼Tc≈590℃。

當(dāng)金屬材料在高于蠕變溫度的環(huán)境工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)兩種現(xiàn)象，即蠕變變形與蠕變斷裂。以下把“高于蠕變起始溫度”簡(jiǎn)稱為“高溫”。

1.蠕變變形

圖4 N3 豬尾管焊縫熱影響區(qū)裂紋泄漏

金屬材料在高溫與應(yīng)力共同作用下，會(huì)產(chǎn)生緩慢不可恢復(fù)的變形，稱為蠕變變形。在恒定溫度與恒定應(yīng)力作用下，金屬材料的蠕變發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖5 所示，由圖5 可見(jiàn)，蠕變變形有三個(gè)階段，第一階段（t1）為降速階段，第二階段（t2）為恒速階段，第三階段（t3）為加速階段，到點(diǎn)d 發(fā)生斷裂。在恒定溫度與不同應(yīng)力下測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越大，應(yīng)變?cè)酱?，即?yīng)變速率越大，試樣運(yùn)行時(shí)間越短。

圖5 典型蠕變曲線

2.蠕變斷裂

在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下，金屬材料到一定時(shí)間就會(huì)斷裂。蠕變斷裂壽命tR隨應(yīng)力的降低而延長(zhǎng)。一般情況下高溫管的斷裂主要有常規(guī)的蠕變斷裂、熱沖擊形成破裂和缺陷引起的斷裂。在高溫和恒應(yīng)力作用下，材料不斷塑性變形的現(xiàn)象，是內(nèi)外管壁溫差所引起的熱應(yīng)力(隨時(shí)間的推移將會(huì)發(fā)生松弛)與內(nèi)壓引起的蠕變穩(wěn)態(tài)應(yīng)力（恒定應(yīng)力）聯(lián)合作用的結(jié)果。通常情況下，蠕變開(kāi)裂是導(dǎo)致豬尾管材料失效的主要原因，而高溫是產(chǎn)生蠕變的直接原因，一般以蠕變第二階段蠕變穩(wěn)定期結(jié)束作為運(yùn)行壽命終止期限。當(dāng)豬尾管的工作溫度變化速度十分快、變化幅度較大時(shí)，形成的熱應(yīng)力若超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，易產(chǎn)生熱沖擊破壞。材料上若存在微裂紋或氣孔等缺陷，在高溫下就可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。

三、N3 豬尾管泄漏原因分析

1.N3 豬尾管壁厚是否達(dá)到要求

豬尾管材料為Incoloy800H，在900℃條件下工作，因此應(yīng)在斷裂力學(xué)范圍計(jì)算壁厚，壁厚計(jì)算公式見(jiàn)式1。

式中 PD——斷裂設(shè)計(jì)壓力，MPa

D0——管外徑，mm

δD——斷裂應(yīng)力壁厚，mm

Φ——焊縫系數(shù)，Φ≤1

[σ]Dt——設(shè)計(jì)溫度下材料的斷裂許用應(yīng)力，MPa。

上式中 [σ]Dt為Incoloy800H 材料在設(shè)計(jì)壽命100000h，950℃時(shí)的許用應(yīng)力，選取時(shí)先用Lason Miller 公式2 求P。

式中 P——Lason Miller 指數(shù)

T——設(shè)計(jì)溫度，K

t——設(shè)計(jì)壽命，h

P=（950＋273）×（20＋lg100000）×10－3＝30.575，按此常數(shù)由Lason Miller 曲線查得[σ]Dt為7.2MPa，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)PD＝3.15MPa，D0=32mm，Φ=1 以及[σ]Dt＝7.2MPa 代入公式1，求出斷裂應(yīng)力壁厚。

因這種豬尾管的材料特殊,一般要求供貨商直接取正偏差,因此不考慮負(fù)偏差，最終向上圓整后名義厚度取δn=6mm。因此，豬尾管的壁厚取δn=5mm 不能達(dá)到正常設(shè)計(jì)壽命的要求，豬尾管母材出現(xiàn)裂紋泄漏，壁厚偏薄可能是一個(gè)因素。

2.開(kāi)停車過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力問(wèn)題

（1）裝置緊急停車。由于突然斷電或其他原因裝置緊急停車會(huì)引起高溫裝置迅速降溫，一方面豬尾管本身在材料斷面造成很大的溫度梯度，引起金屬內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力。另一方面轉(zhuǎn)化管因停車時(shí)溫度迅速降低，向上進(jìn)行膨脹收縮110mm（實(shí)際測(cè)量）左右，N3 集氣管向中間收縮70mm 左右（實(shí)際測(cè)量），這些膨脹量全部靠豬尾管的變形來(lái)吸收，若豬尾管不能很快靠變形來(lái)釋放產(chǎn)生的熱應(yīng)力，豬尾管內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，若超過(guò)設(shè)計(jì)壽命下同溫度時(shí)的許用應(yīng)力，則會(huì)減少豬尾管的使用壽命，材料上若存在裂紋或氣孔等微觀缺陷則會(huì)引起斷裂，產(chǎn)生宏觀裂紋。

（2）裝置正常開(kāi)停車。裝置因檢修或其他原因停車時(shí)，因轉(zhuǎn)化管與集氣管的膨脹量較大，且全部靠豬尾管吸收，因此在豬尾管內(nèi)部會(huì)比正常操作時(shí)產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力，引起豬尾管壽命降低。

3.換爐豬尾管材料問(wèn)題

N3 豬尾管的材料為Incoloy800H，尺寸為Φ32mm×5mm，共256根，對(duì)其同批次的2根備件及拆除后的舊豬尾管進(jìn)行光譜分析，測(cè)出其化學(xué)成分（表1）與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Incoloy800H 材料的化學(xué)成分（表2）相比，可看出這批豬尾管材料碳含量偏低，其他化學(xué)成分符合要求。材料的強(qiáng)度與含碳量有直接關(guān)系，含碳量越高，則強(qiáng)度越大，反之、則強(qiáng)度越小，因此含碳量偏低也是引起裂紋產(chǎn)生的一個(gè)因素。

4.N3 豬尾管結(jié)構(gòu)問(wèn)題

因N3 集氣管用限位架進(jìn)行固定，僅留10mm的間隙，所以在開(kāi)停車過(guò)程中轉(zhuǎn)化管向下約110mm（實(shí)際測(cè)量）和N3 集氣管軸向約70mm（實(shí)際測(cè)量）的膨脹量，基本全部由N3 豬尾管吸收，因此豬尾管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要。由焊縫泄漏部位來(lái)看，17 處焊縫有13 處泄漏都是問(wèn)號(hào)形豬尾管與轉(zhuǎn)化管焊縫連接處的泄漏，且全部是在焊縫上部泄漏，門框形為4 處，因此問(wèn)號(hào)形豬尾管的結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)。

表1 N3 豬尾管備件及舊管的化學(xué)成分

表2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定INCOLOY800H的化學(xué)成分

5.豬尾管疲勞

疲勞是設(shè)備在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下常見(jiàn)的一種失效形式?；と萜鞯慕蛔冚d荷來(lái)自壓力的波動(dòng)、開(kāi)停車的壓力交替，溫度的交變形成溫差應(yīng)力的交變。另一方面容器結(jié)構(gòu)上存在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)因而引起應(yīng)力集中，尤其當(dāng)形成局部塑性區(qū)時(shí)，該區(qū)域往往是萌生疲勞裂紋和引起容器疲勞破壞的源區(qū)。

由于換轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)化管、集氣管在開(kāi)停車過(guò)程中的膨脹收縮，使豬尾管在局部塑性區(qū)內(nèi)存在高應(yīng)變，在交變載荷下局部將發(fā)生交變的塑性變形。豬尾管與轉(zhuǎn)化管、集氣管的連接處為結(jié)構(gòu)不連續(xù)，開(kāi)停車及操作過(guò)程中壓力和溫度的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中或應(yīng)變波動(dòng)。因而豬尾管局部會(huì)形成產(chǎn)生疲勞破壞的裂紋源，在高溫、應(yīng)力共同作用下豬尾管的裂紋源會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展形成宏觀裂紋。

6.彎頭處母材泄漏原因

豬尾管有12 處母材的泄漏，有10 處在彎頭處，從4個(gè)方面進(jìn)行原因分析，一是彎頭在成型時(shí)壁厚減薄，此處材料承受應(yīng)力較大，運(yùn)行壽命短；二是彎頭冷彎成型后，未進(jìn)行熱處理，晶粒大小存在不均勻，對(duì)此處的材料性能有影響；三是彎頭處有氣流沖刷，根據(jù)現(xiàn)工況計(jì)算N3 豬尾管的氣體流速為41.6m/s，工藝上運(yùn)行時(shí)觸媒也會(huì)產(chǎn)生極少量粉塵，對(duì)彎頭外部?jī)?nèi)壁造成沖刷腐蝕，使此處壁厚減薄，成為易開(kāi)裂的薄弱位置；四是彎頭在成型過(guò)程中，材料表面產(chǎn)生肉眼不可見(jiàn)的微劃痕，內(nèi)部有可能產(chǎn)生一些微缺陷，在高溫、應(yīng)力及長(zhǎng)時(shí)間作用下，此處成為裂紋源。

四、應(yīng)對(duì)措施及改進(jìn)方案

1.應(yīng)對(duì)措施

因制作N3 豬尾管的材料Incoloy800H 特殊，訂貨周期約需半年，而豬尾管泄漏時(shí)，并無(wú)備件可換，因此對(duì)漏點(diǎn)首先進(jìn)行修補(bǔ)處理。裝置負(fù)荷由2.8MPa 降至約0.3MPa、溫度由890℃降至約500℃，用進(jìn)口ENiCrFe3 焊條直接進(jìn)行帶壓補(bǔ)焊處理。其次，工藝上在不影響生產(chǎn)的情況下，降低N3 豬尾管處的工藝氣溫度。因?yàn)闇囟仍降蛻?yīng)力越小，蠕變斷裂壽命越長(zhǎng)，裝置在相同操作條件下運(yùn)行時(shí)，降低操作溫度可延緩豬尾管的開(kāi)裂。尤其是在管理上進(jìn)行特護(hù)運(yùn)行，制定特護(hù)方案，加強(qiáng)巡檢，對(duì)泄漏補(bǔ)焊部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。確保換轉(zhuǎn)爐能夠安全可靠地維持運(yùn)行。

2.豬尾管改進(jìn)及效果

考慮到甲醇裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)換轉(zhuǎn)爐的256根N3 豬尾管，在2009年9月全部更換處理，同時(shí)對(duì)豬尾管從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）材料來(lái)源方面。對(duì)準(zhǔn)備更換的N3 豬尾管的材料，仍使用Incoloy800H，但采用進(jìn)口瑞典山特維克公司的產(chǎn)品。

（2）豬尾管的壁厚改變。將豬尾管規(guī)格由Φ32mm×5mm 改為Φ32mm×6mm。

（3）豬尾管結(jié)構(gòu)改進(jìn)。委托設(shè)計(jì)院對(duì)問(wèn)號(hào)管形豬尾管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。加長(zhǎng)豬尾管的長(zhǎng)度，以吸收開(kāi)停車過(guò)程中轉(zhuǎn)化管及N3 集氣管的膨脹量。

（4）對(duì)豬尾管增加彈簧支撐。豬尾管在裝置正常運(yùn)行時(shí)，由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，豬尾管在高溫、應(yīng)力及自重的作用下，會(huì)產(chǎn)生逐漸下垂的蠕變變形，對(duì)與轉(zhuǎn)化管及集氣管連接處的焊縫會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，尤其是開(kāi)停車過(guò)程中。因此經(jīng)過(guò)核算，在豬尾管下部增加彈簧支撐，支撐豬尾管的自重，緩和焊縫處的應(yīng)力。

2009年9月更換后，到目前為止，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未再產(chǎn)生泄漏。