制氫轉(zhuǎn)化爐管延伸段裂紋泄漏原因分析及處置

劉 洋，白繼昭，郭保宏，喬振瑞

（陜西延長石油（集團）油煤新技術(shù)開發(fā)公司，陜西榆林 718500）

1 裝置及轉(zhuǎn)化爐

陜西延長石油集團煤油共煉試驗示范項目是延長集團籌建的全球首個工業(yè)化示范項目，其中配套有制氫裝置，為煤油共煉加氫裝置提供原料氫氣。制氫裝置以天然氣與脫硫干氣為原料，采用一段轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA提氫的工藝。制氫轉(zhuǎn)化爐由中國成達工程有限公司設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式為頂燒方箱式蒸汽轉(zhuǎn)化爐，設(shè)計輻射段總熱負(fù)荷88.21 MW。設(shè)計爐管規(guī)格為，共192根，分4排布置，爐內(nèi)有效長度L=12 200 mm，材料為HP-Nb-mod離心鑄造管，由青島新力通有限公司制造。爐膛外爐管延伸段長1.3 m，材料為TP304H。轉(zhuǎn)化入口設(shè)計溫度610，出口860，設(shè)計入口壓力3.48 MPa，出口壓力3.18 MPa，設(shè)計工藝介質(zhì)為天然氣、脫硫干氣、水蒸氣。

2016年12月，轉(zhuǎn)化爐北側(cè)第一排東第一根爐管延伸段吊耳以下部位發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋，工藝氣體外泄。一周后，北側(cè)第二排東第一根爐管泄漏，情況與第一根爐管相似。2017年1月爐頂南側(cè)第一排東第二根爐管在相同部位再次發(fā)生泄漏，此根爐管陸續(xù)在初次泄漏部位上下發(fā)現(xiàn)多處裂紋。裝置于2017年2月停工整改。

裂紋位于爐膛外延伸段支耳管下方15 mm處母材上（圖1），為橫向裂紋，長度約10 mm，延伸管下部從爐頂至上豬尾管加強管上沿處有保溫，上部無保溫。制氫裝置于2014年10月開工，截止2017年2月，期間開工7次，累計運行510 d。裝置運行以來進料介質(zhì)為天然氣與水蒸氣，轉(zhuǎn)化入口操作溫度（5955），出口操作溫度（8058），入口操作壓力2.9 MPa，出口操作壓力2.7 MPa，裝置負(fù)荷一直維持60%，均在設(shè)計范圍內(nèi)，運行過程中監(jiān)測Cl及S均未檢出，可排除操作異常及腐蝕原因。

圖1 開裂管裂紋位置

3 理化檢試驗

裝置停工后，分別對2根未開裂延伸管及2根開裂延伸管的裂紋部位及遠離裂紋部位取樣，進行外觀檢查、理化分析及性能試驗，取樣部位如圖2所示。

圖2 延伸管取樣示位置

3.1 外觀情況

圖3 延伸管內(nèi)壁裂紋形態(tài)

3.2 化學(xué)成分分析

分別對未開裂和開裂延伸管取樣進行化學(xué)成分分析（表1），2件試樣主要元素含量滿足ASME SA213對TP304H材料要求。

表1 化學(xué)成分分析 %

3.3 常溫拉伸試驗

分別對未開裂延伸管及未開裂延伸管的裂紋部位及遠離裂紋部位取樣進行常溫拉伸試驗，各試樣滿足ASME SA213對TP304H材料的要求。

3.4 硬度試驗

分別對未開裂延伸管及未開裂延伸管裂紋部位及遠離裂紋部位取樣進行硬度試驗，各試樣滿足ASME SA213對TP304H材料的要求。

3.5 金相觀察

分別對未開裂延伸管及未開裂延伸管的裂紋部位及遠離裂紋部位取樣進行金相觀察，組織均為奧氏體，晶粒度約為4級，見圖4。各試樣能滿足ASME SA213對TP304H材料的要求，

圖4 延伸管顯微組織

對開裂延伸管裂紋情況進行光學(xué)/電子金相觀察和微區(qū)能譜分析，開裂延伸管裂紋垂直于內(nèi)壁，從內(nèi)壁起裂，以穿晶方式向外壁擴展，裂紋分支較少，沿開編縫隙邊緣有氧化物附著，主要為氧化鐵、氧化鉻和氧化硅，在主裂紋附近有數(shù)條垂直于內(nèi)壁的小裂紋。見圖5。

圖5 開裂延伸管金相觀察

將開裂延伸管裂紋打開，進行斷口形貌觀察和微區(qū)能譜分析，裂紋從內(nèi)壁起裂，為多源起裂，斷口表面覆蓋大量氧化物，主要為氧化鐵和氧化鉻。見圖6。

清洗斷口并觀察斷口形貌，從宏觀照片和電子金相照片均可觀察到幼小、基本相互平行的局部裂紋，擴展方向相垂直，為典型的疲勞裂紋特征，表明試樣發(fā)生疲勞損傷。見圖7。

圖6 斷口原始形貌

圖7 清洗后斷口形貌

4 爐管開裂原因分析

根據(jù)檢測結(jié)果，開裂和未開裂延伸管的化學(xué)成分、常溫拉伸、硬度、晶粒度均滿足ASME SA213對TP304H材料的要求，說明爐管的材料成分與性能符合要求。

圖8 爐管開裂區(qū)域裂紋成因分析

開裂延伸管裂紋主要特征：內(nèi)壁裂紋呈龜裂狀，裂紋垂直于內(nèi)壁，以穿晶形式由內(nèi)壁向外壁 擴展，斷口具有疲勞特征，多源起裂，裂紋縫隙邊緣有氧化物，開裂特征符合熱疲勞損傷特征。該延伸管開裂部位均位于內(nèi)保溫盒底面至外部未保溫區(qū)域的交界處，在運行過程中實測（圖8），上部法蘭溫度（100～140）℃，下部保溫區(qū)域溫度約600℃，開裂部位附近爐管管壁溫度（200～240）℃，內(nèi)部保溫盒與延伸管內(nèi)壁間有1 mm左右的間隙，天然氣和水蒸汽介質(zhì)可延著間隙進入延伸管上部。轉(zhuǎn)化操作壓力（2.79～3.2）MPa，該壓力下水蒸汽的露點溫度為（220～230）℃。當(dāng)天然氣和水蒸汽介質(zhì)延著間隙進入延伸管上部時，溫度越來越低，降到水蒸汽的露點溫度時，水蒸汽即開始冷凝液化，液化水滴沿管壁流至開裂部位附近再次蒸發(fā)產(chǎn)生較大的溫度變化，產(chǎn)生熱應(yīng)力。裝置運行期間，水蒸汽的液化和氣化過程在開裂部位附近持續(xù)進行，產(chǎn)生交變應(yīng)力，支耳管焊縫下部、延伸管保溫區(qū)和未保溫區(qū)交界處部位的熱應(yīng)力最大，隨著時間的推移，此部位即發(fā)生熱疲勞開裂。

5 處理措施

5.1 爐管材料的選用

分別對未開裂延伸管及開裂延伸管多處取樣進行晶間腐蝕敏感性試驗，多組試樣晶粒均嚴(yán)重脫落，經(jīng)彎曲試驗部位晶粒脫落明顯、厚度減薄，表明取樣部位延伸管已發(fā)生嚴(yán)重敏化，試驗結(jié)果如圖9所示。材料敏化雖與此次爐管開裂無直接關(guān)系，但為保證爐管后續(xù)安全運行，對爐管延伸段進行更換，考慮到現(xiàn)場施工、焊接等多方面因素，此次延伸段更換為與主體相同材料，HP-Nb-mod離心鑄造管。

5.2 改變保溫結(jié)構(gòu)

將外部保溫由原設(shè)計提高至上法蘭以下，將內(nèi)保溫盒底部延至上豬尾管上沿處，使內(nèi)部介質(zhì)溫度遠高于操作壓力條件下蒸汽的露點溫度，避免出現(xiàn)凝結(jié)水滴造成交變應(yīng)力導(dǎo)致開裂。

6 效果驗證

爐管延伸段材料更換后，裝置于2017年8月底開工運行，至2018年6月停工，運行過程中未發(fā)現(xiàn)爐管裂紋問題。停工后，對對接焊縫及此前裂紋區(qū)域進行檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋情況。

圖9 晶間腐蝕試驗結(jié)果

7 結(jié)束語

通過一系列處置，避免了在爐管內(nèi)低溫區(qū)產(chǎn)生凝結(jié)水，消除交變應(yīng)力環(huán)境，經(jīng)10個月的運行周期驗證，證實對裂紋產(chǎn)生的原因分析正確，處置措施得當(dāng)，制氫轉(zhuǎn)化爐管延伸段母材因交變應(yīng)力產(chǎn)生疲勞裂紋的問題得到了解決。