8萬m3/h制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管泄漏分析與預(yù)防措施

， ， ， ，

(中國石油 獨山子石化公司 煉油廠 a.加氫聯(lián)合車間; b. 經(jīng)營管理處，新疆 獨山子 833699)

制氫轉(zhuǎn)化爐是采用烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)工藝，在特定的溫度、壓力以及催化劑存在條件下，將烴類與水蒸氣轉(zhuǎn)化成氫氣及一氧化碳的過程反應(yīng)設(shè)備。

獨山子石化公司8萬m3/h(標準狀況下)制氫轉(zhuǎn)化爐于2009-10開工投用，從2009年開工到2011年第1次大修期間，轉(zhuǎn)化爐運行狀況良好。在2011年大修期間，對轉(zhuǎn)化爐252根爐管進行了檢驗，爐管評定等級均為A級，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常情況。2014-01-04 T03：30，轉(zhuǎn)化爐出口第6支路熱壁管箱處出現(xiàn)泄漏并發(fā)生著火。2014-01-11T20：00，裝置搶修完畢進行氣密試壓，當(dāng)壓力升到1.5 MPa時系統(tǒng)壓力再無法上升，再次檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐爐管東側(cè)第1排第12根(由南向北)上部3 m處出現(xiàn)1.83 m長的裂縫，裝置又一次進入緊急搶修階段。2014-01-18下午搶修完畢后裝置得以再次開工。文中對爐管泄漏原因進行了分析，對泄漏后的爐管進行了處理，以供同行借鑒。

1 制氫轉(zhuǎn)化爐簡介

1.1 管系結(jié)構(gòu)尺寸

轉(zhuǎn)化爐管系是轉(zhuǎn)化爐的核心，轉(zhuǎn)化爐管系包括上集合管、上分支管、豬尾管、爐管、熱壁集合管及冷壁集合管，見圖1。

圖1 制氫轉(zhuǎn)化爐管系基本結(jié)構(gòu)示圖

轉(zhuǎn)化爐爐管共有252根，分6列垂直排列，每列42根。轉(zhuǎn)化爐為頂燒式，爐管下部與短直管通過一個大小頭連接，短直管出口與熱壁管相連。

爐膛內(nèi)部規(guī)格(長×寬×高)13 170 mm×12 860 mm×16 810 mm。爐管規(guī)格(內(nèi)徑×壁厚×長度)?110 mm×14 mm×12 930 mm，設(shè)計溫度960 ℃,設(shè)計壓力3.4 MPa，材質(zhì)25Cr35NiNb-MA；出口大小頭的規(guī)格(大頭內(nèi)徑×小頭內(nèi)徑×壁厚×長度)?110 mm×?35 mm×15 mm×145 mm，設(shè)計溫度960 ℃,設(shè)計壓力3.4 MPa，材質(zhì)25Cr35NiNb-MA；短直管規(guī)格(外徑×壁厚×長度)?65 mm×15 mm×250 mm，設(shè)計溫度920 ℃,設(shè)計壓力3.3 MPa，材質(zhì)NO.8811；熱壁管規(guī)格(內(nèi)徑×壁厚×長度)為?160 mm×24 mm×12 192 mm，設(shè)計溫度為900 ℃,設(shè)計壓力為3.3 MPa，材質(zhì)為20Cr33NiNb。

1.2 爐管評級[1]

對在役爐管進行現(xiàn)場檢測時，以A、B、B+、C 共計4級來評定并報告受檢爐管的質(zhì)量等級現(xiàn)狀。

A級表示爐管無高溫蠕變裂紋，無材質(zhì)裂化，在正常操作條件下可安全使用。

B級表示爐管已有一定的損傷，主要以材料劣化為主，一般的徑向有效損傷長度不大于爐管壁厚的1/3，在正常工況下可運行一個周期。

B+級表示此爐管損傷比較嚴重，主要以材料劣化和微裂紋為主，一般的徑向有效損傷長度不大于爐管壁厚的1/2，爐管有比較明顯的過熱區(qū)域，在正常工況下可繼續(xù)安全使用1.5 ～2 .0 a?？紤]到工藝參數(shù)波動和爐管有效壁厚，建議更換達到B+管。

C級表示爐管過熱區(qū)域明顯，損傷嚴重，主要以內(nèi)部微裂紋和宏觀裂紋為主，一般徑向損傷長度大于爐管壁厚的2/3，一般情況下均不能安全運行一個周期，必須更換。

2 制氫轉(zhuǎn)化爐爐管泄漏處理

2.1 泄漏爐管介紹

2014-01-11，在制氫裝置開工氣密過程中，爐管在0.5 MPa下保壓正常，升壓至1.5 MPa后無法維持。停爐隔離檢查發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化爐第1排第12根爐管上部3 m位置出現(xiàn)了長1.83 m、寬15 mm(最大值)的裂縫，見圖2。文中轉(zhuǎn)化爐管系分布為由東向西1～6排，爐管由北向南1～42根。

圖2 第1排第12根爐管裂紋局部

根據(jù)泄漏情況，按照JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》對252根爐管進行超聲波檢驗[2]，結(jié)果為A級管147根，B級管104根，1根爆管。

A級管狀況優(yōu)良，無須處理，每排有22～26根A級管。

B級管有一定損傷，在正常工況下可放心使用，每排有16～19根B級管。B級管普遍有明顯的過熱區(qū)域，損傷部位在距爐頂1.0～6.0 m區(qū)域。蠕脹測量情況整體正常，沒有明顯蠕脹[3-5]，表面無過熱楊梅粒子脫落[6-7]，碳化物II級，宏觀檢查正常。

根據(jù)上述檢驗結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)影響使用的嚴重缺陷。

2.2 爆管處理

為不影響裝置正常開工，2014-01-14確定了第1排第12根爐管的處理方案。

上豬尾管堵管位置在豬尾管頂部，盡量靠近進氣集合管處以利于防凍。頂部切開后，用316L堵頭后進行焊接，爐管側(cè)用材質(zhì)為316L、厚度為20 mm的圓板在豬尾管管內(nèi)部進行人工焊接封堵，著色檢測焊接質(zhì)量。處理完成后，上側(cè)管為靠近分布管主管(承壓)，下側(cè)管為報廢12#管入口。

下部短直管切開之后，在熱壁管側(cè)用UNS No8810(Incoloy800H)制作的堵頭進行氬弧焊封堵，爐管側(cè)采用UNS No8810(Incoloy800H)制作30 mm厚的堵板進行氬弧焊封堵，爐管下部用規(guī)格(長度×寬度×厚度)160 mm×20 mm×8 mm、材質(zhì)為35Cr45NiNb的3個鋼條均布焊接在爐管上進行定位，焊接部位著色檢驗控制質(zhì)量。爆裂爐管具體切割部位、堵管方式以及定位數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 爆裂爐管切割部位及堵管方式

3 第12根爆裂爐管檢驗分析

3.1 宏觀檢查及取樣

對發(fā)生爆裂的第1排第12根爐管進行宏觀斷口檢查發(fā)現(xiàn)，斷口上存在明顯的人字紋，且下方的人字紋朝向爐頂。

在裂紋兩側(cè)人字紋交匯處取金相檢測試樣，見圖4a。樣品取出后，將靠近內(nèi)表面一側(cè)1塊樣品與所取試樣剝離開，見圖4b。

圖4 爆裂爐管裂紋宏觀形貌及取樣位置示圖

3.2 裂紋源金相組織檢驗[8-9]

爆裂爐管上共取樣11塊。其中長方形試樣為(長×寬)為150 mm×30 mm、100 mm×20 mm、100 mm×10 mm、40 mm×40 mm，此外還有三角形及梯形等形狀的樣塊。

由于篇幅限制，文中主要對裂紋處樣品進行分析，拋光、腐蝕后試樣宏觀組織形貌見圖5。

圖5 拋光后試樣宏觀組織

從圖5可以看出，試樣橫截面上的組織形貌在襯度上存在明顯差異，由內(nèi)表面向外表面沿徑向粗略分成碳化組織區(qū)、粗大柱狀晶區(qū)和中間過渡區(qū)域[10-11]。將樣品分成3個區(qū)域并進一步放大，可以看到3個區(qū)域中組織狀態(tài)存在明顯區(qū)別。從組織形貌和腐蝕襯度的細節(jié)上再進一步觀察，將整個截面沿徑向分成3個區(qū)域以分析每個部分的組織結(jié)構(gòu)，見圖6。試樣區(qū)域1～區(qū)域3的部分微觀金相組織見圖7。

圖6 試樣截面沿徑向分成3個區(qū)域

從圖7a中可知，該部分碳化物已經(jīng)完全分解，在原奧氏體晶界上存在大量的孔洞，枝晶已經(jīng)消失[12]，晶粒間的黑色區(qū)域是否為裂紋需做掃描電鏡確認。該部位碳化嚴重，應(yīng)出現(xiàn)過局部超溫，需要考慮轉(zhuǎn)化催化劑中毒、轉(zhuǎn)化催化劑積碳(導(dǎo)致催化劑積碳原因主要有水碳比失調(diào)、原料加氫精制不完全、轉(zhuǎn)化出入口溫度低)等原因。

圖7 試樣截面沿徑向分成3個區(qū)域的金相組織(1 000×)

從圖7b中可知，區(qū)域2中的奧氏體形貌已經(jīng)成網(wǎng)狀或鏈狀，在靠近區(qū)域1側(cè)組織中存在大量碳化物，部分碳化物已成塊狀。在靠近區(qū)域3側(cè)網(wǎng)狀的碳化物中形成了大量粗大的二次碳化物。

從圖7c中可知，該區(qū)域組織為枝晶狀奧氏體，碳化物已經(jīng)開始破斷，晶界碳化物變粗，在晶內(nèi)存在大量的二次碳化物，碳化物彌散分布于奧氏體基體中。

3.3 成分分析結(jié)果[13-14]

對25Cr35NiNb-MA爆裂爐管進行全定量光譜分析，測試結(jié)果見表1。從表1可知，該爐管的化學(xué)成分符合有關(guān)技術(shù)協(xié)議的要求。

表1 爆裂爐管光譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

4 爐管泄漏原因分析

制氫轉(zhuǎn)化爐根據(jù)TeChnip公司工藝包進行基礎(chǔ)設(shè)計及詳細設(shè)計，設(shè)計負荷50%～110%。

由于系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)氫氣富余，為減少氫氣放火炬量，需要制氫裝置在較低負荷下運行。前期裝置負荷已降至45%運行，但仍然存在氫氣過剩問題。從長期來看，大乙烯粗氫產(chǎn)量會增加，煉油廠還在做氫氣回收項目。另外，隨著氫氣管網(wǎng)運行優(yōu)化項目的實施，氫氣過剩問題更加突出，8萬m3/h制氫裝置需突破設(shè)計下限繼續(xù)降低負荷生產(chǎn)。于是在2013-03-25和2013-04-17，分別進行了40%和30%低負荷的運行測試。其結(jié)果為， 在此低負荷生產(chǎn)時，對轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生最大危害的是物料分配不均和燃燒器分配不均導(dǎo)致的爐管局部超溫，此溫度的變化造成的爐管系膨脹是引發(fā)泄漏的直接原因。

5 爐管泄漏預(yù)防措施

5.1 正常生產(chǎn)負荷控制

為了保證制氫裝置長周期運行，要盡量減少制氫裝置負荷波動，并且在低溫、中等負荷狀態(tài)下運行。可以通過調(diào)整重整氫量確保裝置平穩(wěn)運行，在2015年大修時采取的措施如下。

(1)制氫裝置負荷控制在50%以上及在設(shè)計負荷范圍之內(nèi)。

(2)日常外部原因致使氫氣波動時進行平衡調(diào)節(jié)，具體措施見表2。

表2 日常外部原因致使氫氣波動的調(diào)節(jié)措施

在重整裝置外排瓦斯4 000～5 000 m3/h(標準狀況)前提下，80萬t/a催焦柴油加氫裝置外排火炬開度超過30%，由制氫裝置按每5 min降低負荷0.5%速度降低負荷。

(3)增加加氫聯(lián)合低分氣去氫氣提純裝置(PSA)入口流程，在日常外部原因引起波動時能快速補入系統(tǒng)氫，并保證轉(zhuǎn)化爐解吸氣燃料穩(wěn)定，對轉(zhuǎn)化爐影響最小。

5.2 異常波動時裝置負荷控制

氫氣管網(wǎng)異常波動會造成苯乙烯尾氣中斷(5 000～7 000 m3/h(標準狀況))、乙烯裂解爐聯(lián)鎖(6 000～7 000 m3/h(標準狀況))，煉油老區(qū)氫氣提純單元(PSA)、乙烯PSA故障時，氫網(wǎng)氫氣波動量5 600～13 000 m3/h(標準狀況)，影響制氫負荷8%～15%。

當(dāng)系統(tǒng)氫氣管網(wǎng)出現(xiàn)異常下降情況，可按照下面原則進行調(diào)節(jié)。

(1)重整氫氣全部改進煉油2萬m3/h(標準狀況)PSA。

(2)80萬t/a催焦柴油加氫改循環(huán)，余出1萬 m3/h(標準狀況)氫氣，維持新氫管網(wǎng)壓力。若無法維持，300萬t/a、200萬t/a加氫裝置進行降量操作。

(3)對制氫裝置使用負荷控制器進行負荷調(diào)節(jié)，每5 min調(diào)節(jié)氫氣負荷0.5%，約300 m3/h(標準狀況)氫氣，保證轉(zhuǎn)化爐溫度穩(wěn)定。

5.3 轉(zhuǎn)化爐溫度控制[15]

(1)轉(zhuǎn)化爐出口溫度由停車前的840～860 ℃調(diào)整為780～820 ℃。由于轉(zhuǎn)化爐溫度降低造成的轉(zhuǎn)化率降低，可以通過提高水碳比來補償，保證轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷體積分數(shù)不大于5.8%，具體水碳比數(shù)值根據(jù)實際操作情況確定。某車間制定的具體內(nèi)控指標見表3。

表3 車間制定的具體轉(zhuǎn)化爐溫度內(nèi)控指標

(2)轉(zhuǎn)化爐上部爐膛溫度測點有12個，分別是TI1154A～L，后期控制最高溫度不超過1 200 ℃。此次故障爐管東邊燒嘴，保持周圍溫度稍低，參照爐管表面溫度調(diào)節(jié)。

(3)嚴格控制開停工升降溫速度，轉(zhuǎn)化爐出口升降溫速度不大于30 ℃/h，按10 min升5 ℃勻速升溫，降壓中按0.1 MPa/min(設(shè)計自動泄壓),升壓速度按0.02 MPa/min進行。

(4)進轉(zhuǎn)化爐解吸氣體積流量周期性波動較大。由于轉(zhuǎn)化爐為引進工藝，PSA系統(tǒng)為國內(nèi)設(shè)計工藝，轉(zhuǎn)化爐設(shè)計要求入爐解吸氣體積流量波動幅度不大于2%，實際操作值基本超過15%。解吸氣體積流量的波動造成解吸氣燒嘴熱量供應(yīng)忽大忽小，影響轉(zhuǎn)化爐爐管表面溫度。后期車間聯(lián)系華西所調(diào)整解吸氣體積流量控制，將入爐解吸氣體積流量波動降至10%以內(nèi)。

6 結(jié)語

通過此次對轉(zhuǎn)化爐爆裂爐管的處理、分析和預(yù)防措施的提出，車間制定了制氫裝置負荷控制的方案。2015-05停工檢修期間，對251根爐管進行100%的全面檢驗，對B+級的104根和之前爆裂的1根爐管進行更換，目前該轉(zhuǎn)化爐運行近3 a，未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。