合成氨裝置一段爐混合氣盤管爆管原因分析及處理

陳鳳壯

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油化學(xué)股份有限公司海南基地（簡(jiǎn)稱海南基地）化肥一部30萬(wàn)t/a合成氨裝置，采用AMVICI工藝，設(shè)有一段爐及二段爐負(fù)責(zé)天然氣、蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中主要反應(yīng)在一段爐內(nèi)進(jìn)行。一段爐為托普索側(cè)燒爐，高度35.6m，由上至下分為對(duì)流段和輻射段兩段。一段爐主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：出口殘余甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為17.51%，工藝氣出口溫度749℃，輻射段出口煙氣溫度924℃，對(duì)流段出口煙氣溫度158℃。

輻射段分為南北兩個(gè)爐膛，共108根轉(zhuǎn)化爐管，216個(gè)燒嘴呈5排分布，采用燃料氣和回收廢氣兩股氣源混合燃燒，火焰噴向爐墻，向爐管輻射傳熱。南北兩個(gè)爐膛共用一個(gè)對(duì)流段，主要回收輻射段煙氣熱量。根據(jù)介質(zhì)及工藝設(shè)計(jì)要求，對(duì)流段設(shè)有六組盤管，自下而上分別為天然氣與蒸汽混合預(yù)熱盤管（簡(jiǎn)稱混合氣盤管）、蒸汽預(yù)熱盤管、工藝空氣預(yù)熱盤管、原料天然氣預(yù)熱盤管、鍋爐給水預(yù)熱盤管及燃料天然氣預(yù)熱盤管。

如圖1所示，混合氣盤管共分為上下兩組：上組盤管有8排，其中上3排為翅片管，下5排為光管；下組盤管有6排均為光管。每排盤管有9根，自北向南分別命為1#至9#。混合氣由上組盤管上集氣管進(jìn)入，與煙氣逆流接觸換熱至500℃后，由下集氣管進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐，反應(yīng)后溫度降低至450℃，再由下組盤管下集氣管進(jìn)入，與煙氣順流換熱至580℃后，再上集氣管經(jīng)分布管、上豬尾管進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

2016年12月與2017年2月，混合氣盤管下管組9#管曾兩次出現(xiàn)爆管，均由工藝人員巡檢發(fā)現(xiàn)，并采取了緊急停車處理，避免事故擴(kuò)大。

圖1 混合氣盤管布置示意圖

1 改造歷史

1.1 改造原因

2009年底裝置大修中對(duì)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段混合氣盤管進(jìn)行針對(duì)性檢查，發(fā)現(xiàn)該組盤管外表面高溫氧化嚴(yán)重，金相檢查發(fā)現(xiàn)材料組織由原來(lái)的片層狀變?yōu)闈B碳顆粒狀，呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)（圖2）。

圖2 2009年混合氣盤管金相檢查圖

委托專業(yè)公司對(duì)混合氣盤管的進(jìn)行強(qiáng)度核算，結(jié)果顯示除下管組第1排盤管 （編號(hào)自下而上）強(qiáng)度符合10×104h壽命要求外，其他13排盤管均不能滿足10×104h使用壽命。由于1996年投產(chǎn)以來(lái)混合氣介質(zhì)出口溫度大多在600℃以上，所以這13組盤管已經(jīng)接近使用壽命，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 混合氣盤管強(qiáng)度核算結(jié)果

1.2 改造情況

從金相檢測(cè)及強(qiáng)度核算結(jié)果來(lái)看，混合氣盤管存在泄漏隱患，為保障裝置安全，海南基地決定全部更換一段爐混合氣盤管及相關(guān)彎頭、集氣管、分布管。更換主要有以下四個(gè)方案：

方案一：保持原設(shè)計(jì)盤管規(guī)格、材料不變。該方案嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)參數(shù)，但由于國(guó)外設(shè)計(jì)嚴(yán)苛，每排管的材質(zhì)和壁厚均不相同，給備料、施工、焊接帶來(lái)了很大麻煩，核算結(jié)果也顯示原設(shè)計(jì)盤管的壽命不能滿足10×104h要求；

方案二：盤管壁厚統(tǒng)一，材質(zhì)升級(jí)。下管組的6排盤管統(tǒng)一升級(jí)材質(zhì)為B107NO.8810，盤管規(guī)格為141.3mm×9.2mm，上管組8排盤管統(tǒng)一升級(jí)材質(zhì)為SA271TP321H，盤管規(guī)格為 141.3mm×7.6mm，此方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠，備料方便。

方案三：壁厚不變，材質(zhì)升級(jí)。下管組2～6排盤管材質(zhì)由A271TP321H升級(jí)為與第1排盤管一樣的材質(zhì)B407NO.8810，上組盤管8排全部由A213T22升級(jí)為A271TP321H，此方案能保持管內(nèi)流體力學(xué)特性。

方案四：壁厚不變，僅上管組材質(zhì)由SA213TP22升級(jí)為A271TP321H，此方案并不能滿足10×104h使用壽命要求。

通過(guò)對(duì)比和綜合考慮，最終選擇了方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在2012年3月及2016年3月大修中進(jìn)行升級(jí)改造。2012年3月全部更換了混合氣盤管（含彎頭）共計(jì)14排，并更換上管組上、下集氣管及下管組下集氣管，改造后所有盤管運(yùn)行均沒有出現(xiàn)泄漏。2016年3月更換了混合氣盤管下管組上集氣管、分布管和交叉管線。

表2 2012年混合氣盤管升級(jí)改造前后對(duì)比

2 爆管現(xiàn)象出現(xiàn)

第一次爆管：2016年12月20日10:00工藝人員巡檢發(fā)現(xiàn)一段爐對(duì)流段混合氣盤管處有異常響聲，經(jīng)仔細(xì)查找確認(rèn)為對(duì)流段混合氣原盤管出口集氣管偏南部位泄漏，系統(tǒng)停車檢修，停工時(shí)間5天。拆除盤管保溫后發(fā)現(xiàn)是9#管與下管組上集氣管的焊縫靠母材一端開裂泄漏，裂紋長(zhǎng)度約140mm，見圖3。

圖3 2016年12月下管組第6排9#盤管與上集氣管焊縫泄漏

第二次爆管：2017年2月12日07:15時(shí)工藝人員巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)一段爐混合氣盤管出口集氣管處有異常聲音，用測(cè)爆儀檢測(cè)可燃?xì)怏w超標(biāo)報(bào)警，最終確認(rèn)混合氣盤管9#管再次泄漏，系統(tǒng)緊急停車檢修，停工時(shí)間6.6天。

圖4 2017年2月下管組第6排9#盤管與上集氣管焊縫泄漏

3 爆管原因分析

3.1 第一次爆管分析

從外觀上看，該裂紋位于焊縫的熱影響區(qū)靠近管側(cè)約2mm處，裂紋部位母材材質(zhì)為B470 NO.8810，規(guī)格為141.3mm×6.8mm，管座材質(zhì)為高溫不銹鋼A182F321H，焊縫熔敷金屬采用ER NiCr-3焊絲，有關(guān)材質(zhì)成分見表3。

表3 9#盤管材質(zhì)成分表

2016年12月21日安排光譜復(fù)查，結(jié)果表明盤管材質(zhì)與800H相符，集合管材質(zhì)與321H相符，焊縫材質(zhì)與ERNiCr-3相符，故判斷泄漏點(diǎn)處的9#管材質(zhì)沒有問題，焊接選材正確，排除了材質(zhì)誤用的可能性。

委托專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)盤管對(duì)于9#管（裂紋管）和5#管（對(duì)比管）做了母材和焊縫做了硬度和金相檢測(cè)。硬度檢測(cè)均達(dá)到要求，金相檢測(cè)顯示9#管焊縫、融合線、母材為奧氏體加少量碳化物，未發(fā)現(xiàn)母材組織異?，F(xiàn)象。此外對(duì)2016盤管與集合管連接處的全部9道焊縫做了100%PT和100%伽馬源RT，均為發(fā)現(xiàn)異常。

經(jīng)過(guò)施工過(guò)程調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生裂紋的9#管存在較大應(yīng)力。應(yīng)力產(chǎn)生的可能原因是：(1)2016年3月9#管焊接組隊(duì)過(guò)程中存在錯(cuò)口，使用葫蘆組隊(duì)；(2)9#管與管箱支撐板間隙較小，導(dǎo)致盤管受熱（＞580℃）后自由膨脹受限，應(yīng)力釋放不足（圖5）；(3)該盤管存在5次焊接現(xiàn)象，主要是2012年更換盤管時(shí)焊接一次，2016年更換集合管時(shí)焊接及焊接過(guò)程中出現(xiàn)因組對(duì)錯(cuò)邊、氣孔超標(biāo)原因?qū)е碌姆倒ざa(chǎn)生的焊接。

當(dāng)時(shí)由于沒有備件，加上春節(jié)將至等客觀因素，經(jīng)過(guò)打磨、補(bǔ)焊、檢測(cè)合格后迅速恢復(fù)開車。焊接施工過(guò)程中多次焊接，組隊(duì)后存在較大應(yīng)力，為第二次爆管埋下隱患。

圖5 第一次爆管前后9#管與管箱支撐板間隙及處理

3.2 第二次爆管分析

第二次爆管時(shí)庫(kù)存?zhèn)浼训?，按原材質(zhì)規(guī)格更換了一段長(zhǎng)度為320mm的盤管，同時(shí)切割下管段委托中國(guó)特檢院做失效分析。分析主要從宏觀檢查、操作與設(shè)計(jì)、材料與供貨、焊接與安裝四個(gè)方面進(jìn)行。

3.2.1 宏觀檢查

通過(guò)宏觀觀察發(fā)現(xiàn)裂紋位于焊接接頭區(qū)域盤管一側(cè)的熱影響區(qū)，與熔合線基本平行，無(wú)明顯分支。裂紋處仍可明顯看出上次開裂泄漏處理時(shí)留下的補(bǔ)焊焊縫，管段外壁及內(nèi)表面均無(wú)明顯的局部腐蝕或減薄，亦無(wú)明顯的機(jī)械劃傷等痕跡。

3.2.2 操作與設(shè)計(jì)原因

1）操作原因排查。檢查爆管前一段爐運(yùn)行工藝數(shù)據(jù)：系統(tǒng)負(fù)荷95%，混合氣盤管入口溫度＜560℃，入口壓力3.88～3.915MPaG，出口溫度734～740℃，主要參數(shù)均正常范圍內(nèi)，排除了當(dāng)時(shí)超溫超壓超負(fù)荷運(yùn)行的可能。

2）設(shè)計(jì)原因排查。材料化學(xué)成分分析顯示母材化學(xué)成分基本與質(zhì)量證明書相一致，基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該材料化學(xué)成分要求。采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)定盤管的壁厚，對(duì)應(yīng)原始設(shè)計(jì)壁厚無(wú)明顯的減薄，排除選材和規(guī)格方面的原因。

3.2.3 材料與供貨原因

1）電鏡觀察和能譜分析。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口表面呈現(xiàn)為典型的“冰糖塊”狀花樣，這是典型的沿晶開裂特征。對(duì)斷口表面產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，可見產(chǎn)物中富含Cr和Ni元素，為材料本身所含的元素。

2）材料力學(xué)性能分析。常溫下盤管材料的延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，這可能是材料在使用的過(guò)程中發(fā)生了脆化，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度升高而塑性降低，但根據(jù)沖擊試驗(yàn)的結(jié)果證明母材仍有較好的沖擊韌性。材料加熱至正常操作溫度（580℃）后，盤管材料的強(qiáng)度升高而塑性降低。

3）硬度測(cè)試。硬度值測(cè)試結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換后與常溫抗拉強(qiáng)度值基本一致，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均無(wú)對(duì)硬度值的要求，故無(wú)法進(jìn)行結(jié)果比對(duì)。

3.2.4 焊接與安裝原因

1）金相分析。母材分析基體組織為奧氏體，晶粒度約為5級(jí)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，排除母材問題。焊縫處分別選取了A點(diǎn)（9點(diǎn)鐘方向）和B點(diǎn)（11點(diǎn)鐘方向）做分析，見圖6（左圖為取樣示意圖，右圖為A點(diǎn)放大圖）。

圖6 焊縫取樣與局部放大示意圖

圖7 裂紋局部金相組織A點(diǎn)（左）和B點(diǎn)（右）

A點(diǎn)金相組織如圖7（左）所示：緊靠補(bǔ)焊焊接接頭，可以看出A-Ⅰ裂紋從內(nèi)表面緊靠焊縫的熱影響區(qū)開始起裂，沿穿透壁厚的方向一直向外表面擴(kuò)展，進(jìn)入焊縫一小段距離后停止，該裂紋平直，分支極少，在部分位置可以看到沿晶開裂特征，沿晶特征非常明顯；A-Ⅱ裂紋從外表面靠近補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)開始起裂，然后沿著補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)沿晶擴(kuò)展，分支也極少，最終與前一條裂紋連接在一起。兩條裂紋串接起來(lái)，就貫穿了盤管壁厚。

B點(diǎn)金相組織如圖7（右）所示：B-Ⅰ號(hào)裂紋，從盤管內(nèi)側(cè)起裂，擴(kuò)展到補(bǔ)焊焊縫受阻后，方向發(fā)生改變，緊沿著熔合線的盤管母材一側(cè)向前擴(kuò)展，但未穿透壁厚；B-Ⅱ號(hào)裂紋，外寬內(nèi)窄，從外表面起裂并向內(nèi)表面擴(kuò)展，已穿透壁厚。

2）應(yīng)力分析。根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力分析模型，可見位移偏移量與應(yīng)力對(duì)盤管使用壽命影響巨大。隨著位移偏移量增加，爐管在高溫下的持久壽命迅速下降，見圖8。

圖8 位移偏移量與應(yīng)力對(duì)壽命的影響

2017年2月管段截取的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)離焊接接頭300mm處的盤管切口位置 “錯(cuò)口”偏移量達(dá)約3mm，見圖9。這將在焊接接頭處引起較大的彎曲應(yīng)力，雖然實(shí)際由于集合管和盤管之間的變形協(xié)調(diào)作用，其應(yīng)力值會(huì)比理論計(jì)算值要低，但圖8顯示，即使 “錯(cuò)口”偏移量為1.0mm時(shí)，按正常操作溫度580℃下爐管剩余壽命已僅約為2136h，影響仍非常顯著。

圖9 9#盤管割管時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)邊

4 分析結(jié)論與處理措施

4.1 分析結(jié)論

一段轉(zhuǎn)化爐混合氣盤管焊縫失效機(jī)理為蠕變—應(yīng)力開裂。裂紋呈現(xiàn)典型的沿晶特征，存在兩種“起裂—擴(kuò)展”形式，分別是焊接接頭內(nèi)表面熱影響區(qū)處起裂并向外壁擴(kuò)展的裂紋，即A-Ⅰ和B-Ⅰ號(hào)裂紋，以及從焊接接頭外表面熱影響區(qū)及鄰近部位起裂并向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，即A-Ⅱ和B-Ⅱ號(hào)裂紋。

這兩種裂紋均與局部高應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。多次焊接（包括補(bǔ)焊）的殘余應(yīng)力，局部拘束狀態(tài)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以及內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力都有影響，使焊接接頭在高溫下出現(xiàn)快速的蠕變—應(yīng)力開裂，最終造成9#盤管泄漏。

4.2 處理措施

避免強(qiáng)行組隊(duì)，采用“自然偏折角”方式修復(fù)。2017年2月在割口處理后，更換的一截新盤管已按照自然偏折角度的方法來(lái)修復(fù)，雖然仍會(huì)在熱脹冷縮的過(guò)程中因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生局部應(yīng)力，但其值會(huì)比強(qiáng)力組對(duì)小很多。該方法修復(fù)后9#盤管已經(jīng)在管箱支撐板的預(yù)留開孔中自行“對(duì)中”，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅下降，可顯著提高焊接接頭處的使用壽命。使用至2017年7月底計(jì)劃停車后，對(duì)焊接接頭部位進(jìn)行的射線檢測(cè)和表面滲透檢測(cè)再未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

5 結(jié)束語(yǔ)

中海化學(xué)海南基地化肥一部通過(guò)兩次升級(jí)改造基本消除了混合氣盤管的潛在缺陷，但由于對(duì)組隊(duì)焊接工藝和應(yīng)力影響認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致出現(xiàn)第一次爆管。在沒有備件和時(shí)間緊促的情況下恢復(fù)系統(tǒng)生產(chǎn)，雖有所意識(shí)并采取了一些積極的處理措施，但未徹底弄清楚導(dǎo)致混合氣盤管開裂的原因，運(yùn)行49天后再次發(fā)生爆管。在找到原因并采取了更為有效的處理措施后，第二次處理后9#盤管累計(jì)運(yùn)行超過(guò)9個(gè)月，狀態(tài)良好。

實(shí)際上，任何環(huán)節(jié)、任何細(xì)微的因素都有可能影響組對(duì)和焊接質(zhì)量，因此工藝操作、設(shè)計(jì)、材料供貨、制造、安裝、焊接工藝等每一步都非常關(guān)鍵。鑒于此，我們對(duì)于高溫高壓，設(shè)計(jì)有10萬(wàn)小時(shí)壽命的設(shè)備，將定期進(jìn)行射線、金相、無(wú)損等檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)安排更換處理。本文分析混合氣盤管兩次開裂原因，并將改造和處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分享，希望能對(duì)后來(lái)者提供借鑒意義。