制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂分析及預(yù)防對策研究

雷峰 李喜芳

摘 要：本文主要對制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管的開裂進行闡述，分析轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的原因，提出針對性的預(yù)防對策，希望對制氫裝置性能的發(fā)揮與工作效率提升起到積極的參照作用。

關(guān)鍵詞：制氫裝置;轉(zhuǎn)化爐爐管;開裂;預(yù)防;對策

0 引言

隨著對制氫裝置應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，制氫裝置作為穩(wěn)定提供氫源的設(shè)備，在煉油廠得到了廣泛的應(yīng)用。但制氫裝置的工作機制復(fù)雜，需要對爐膛進行加熱獲得高溫，促使其處于高溫高壓的工作狀態(tài)，這對于爐管的安全可靠性提出了更高要求。受腐蝕因素影響，易出現(xiàn)制氫裝置的轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的風(fēng)險隱患，不利于滿足制氫裝置高質(zhì)量與穩(wěn)定性運行的要求。以此及時發(fā)現(xiàn)潛在的爐管開裂的原因，采取有效的措施及時規(guī)避風(fēng)險隱患意義重大。

1 轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的腐蝕原因

1.1 氯離子腐蝕

部分金屬與合金易與氯離子介質(zhì)反應(yīng)，形成縫隙腐蝕或孔蝕。當(dāng)合金與金屬表面的鈍化膜發(fā)生破壞后，穿透力強的氯離子介質(zhì)，會加速破壞膜的形成，對鈍化膜的生成起到抑制作用，鈍化膜的腐蝕部位會逐漸發(fā)生破壞。當(dāng)金屬表面的鈍化膜發(fā)生破壞后，鈍化表面與裸漏的金屬表面，會組成大陰極與小陽極的腐蝕電池。陽極裸漏的金屬表面會加速溶解，陰極表面加速氧化還原反應(yīng)，從而生成腐蝕孔。金屬溶解后，金屬離子的濃度增大，正電荷增多，加劇了氯離子介質(zhì)的遷入，從而生成氯化物。腐蝕孔內(nèi)的氫離子濃度增大，酸性加強，氫離子與氯離子對孔內(nèi)的腐蝕加速，促使孔蝕破壞繼續(xù)進行。

1.2 高溫氧化腐蝕

制氫裝置轉(zhuǎn)化管的應(yīng)用工況與環(huán)境惡劣，要求轉(zhuǎn)化管的材料具有一定的抗氧化性，確保生產(chǎn)工序穩(wěn)定進行。但當(dāng)工況條件發(fā)生變化后，尤其是在過熱的工況下，會加劇轉(zhuǎn)化管材料表面的氧化，從而生成氧化產(chǎn)物。材料表面的氧化產(chǎn)物，與母材熱膨脹系數(shù)存在明顯差異，會促使表面產(chǎn)生附加應(yīng)力，加上腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)熱性差等因素影響，會促使轉(zhuǎn)化管的溫度進一步升高。超溫工況下會加劇轉(zhuǎn)化管材料的氧化，降低材料的抗蠕變性，提高轉(zhuǎn)化管發(fā)生開裂的可能。從而工況中的超溫現(xiàn)象入手分析，首先是原料氣因素影響產(chǎn)生的超溫，過低水碳比的原料氣，會促使催化劑結(jié)碳。當(dāng)鈉鹽與蒸汽中的二氧化硅含量提高，會引起結(jié)塊與結(jié)鹽的現(xiàn)象。結(jié)塊與結(jié)鹽及結(jié)碳的現(xiàn)象存在，會促使催化劑的活性與原料氣吸熱轉(zhuǎn)化能力降低，轉(zhuǎn)化管出現(xiàn)局部過熱的情況。當(dāng)轉(zhuǎn)化管內(nèi)進入硫后，也會降低催化劑的活性與轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度及吸熱量，從而引起超溫的現(xiàn)象。其次是燃料因素影響產(chǎn)生的超溫，當(dāng)燃料氣中帶有液態(tài)烴或其他組分時，或是處于低溫的工況下，會引起燒嘴噴液的情況，從而促使?fàn)t管發(fā)生超溫現(xiàn)象。除此之外，還包括工藝與催化劑質(zhì)量等因素影響引起的超溫現(xiàn)象，值得加強重視與深入研究。

1.3 高溫蠕變腐蝕

影響爐管材料抗蠕變性的因素較多，包括自身組織熱穩(wěn)定性與所處的應(yīng)力及溫度等環(huán)境要素。尤其是在裝置運行過程中，過熱的工況會促使?fàn)t管的蠕變發(fā)生變化。調(diào)整燃料會增大介質(zhì)物料流量的波動，尤其是在關(guān)閉與啟動后會快速降溫，加上爐管本身的熱應(yīng)力，會引起高溫蠕變腐蝕。蠕變也是指塑性變形的過程，微裂紋的發(fā)展與空穴的集積等過程同步進行，兩者屬于相互獨立又相互制約的關(guān)系。高溫下的荷載變動與金屬時效過程及擴散作用等因素，都會影響爐管材料的高溫斷裂強度發(fā)生變化。

1.4 脫碳滲碳腐蝕

轉(zhuǎn)化管內(nèi)的反應(yīng)氣體，在高溫下進行滲碳還原反應(yīng)，涉及到二氧化碳與水蒸氣及烴類等反應(yīng)氣體。吸附在金屬表面的各反應(yīng)氣體，在鎳與鐵等物質(zhì)的催化作用下會出現(xiàn)析碳反應(yīng)，從而生成碳原子。碳原子的活性強，極易通過爐管表面缺陷或氧氣膜破裂及組織疏松等部位，滲透到金屬基體內(nèi)，聚集在金屬晶界上的同時，會與鉻發(fā)生反應(yīng)，從而生成鉻的碳化物Gr7C3，降低碳層奧氏體組織內(nèi)的鉻含量，材料抗腐蝕性與抗氧化的性能降低;而鎳含量更加集中，促使合金的耐熱性降低。在高溫條件下，氣體介質(zhì)會與爐管內(nèi)的滲碳體發(fā)生反應(yīng)，降低表層滲碳體的同時，促使臨近未反應(yīng)的金屬層，逐漸向該反應(yīng)區(qū)擴散，滲碳體減少金屬層會逐漸向鐵素體轉(zhuǎn)變。爐管表面脫碳后，會降低鋼鐵疲勞極限與表面硬度及機械性能，從而引起氫鼓泡或裂紋等現(xiàn)象。

1.5 應(yīng)力腐蝕

造成爐管開裂的原因較多，一是未合理選擇材質(zhì)，爐管材料的可焊性差，與碳鋼材料焊接時會產(chǎn)生裂紋，或是出現(xiàn)脫碳的情況，在投入使用中出現(xiàn)焊縫開裂的情況。二是爐管結(jié)構(gòu)引起的熱應(yīng)力，內(nèi)外壁的溫差較大，焊縫散熱快，焊縫上下表面的溫度差較大，會產(chǎn)生軸向彎曲應(yīng)力。三是頻繁的開啟關(guān)閉，會促使焊縫出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。

2 轉(zhuǎn)化管爐管開裂的預(yù)防處理對策

2.1 規(guī)避腐蝕因素影響

體現(xiàn)在以下幾方面;一是焊縫損傷是促使?fàn)t管損壞的常見影響因素，應(yīng)當(dāng)合理選擇過渡段的爐管材質(zhì)，避免出現(xiàn)焊縫應(yīng)力開裂的情況。二是加強對轉(zhuǎn)化爐運行參數(shù)的控制，避免出現(xiàn)爐管超溫的現(xiàn)象。裝置開工時嚴格圍繞升溫曲線進行，對稱點燃燃燒器火嘴。裝置停工后按照降溫速度進行，對稱熄滅燃燒器火嘴。裝置運行時需全面點燃燃燒器火嘴，避免出現(xiàn)火苗舔管的情況。三是轉(zhuǎn)化爐管在高溫下長期運行時，金相組織內(nèi)易出現(xiàn)σ相，應(yīng)當(dāng)選擇能夠避免產(chǎn)生σ相的爐管材質(zhì)，易高效適應(yīng)交變熱負荷工況。四是避免頻繁開停工，防止?fàn)t管溫度急劇變化。當(dāng)爐管壁溫度超過使用溫度時，會引起破壞性過熱的現(xiàn)象，嚴重降低爐管運行效率與使用壽命，因此嚴格控制管壁溫度意義重大。五是嚴格控制與防止氯離子的腐蝕，降低原料氣與液態(tài)燃料氣中的氯離子含量。尤其是在裝置檢修期間，應(yīng)當(dāng)避免氯化物接觸轉(zhuǎn)化爐管。同時控制轉(zhuǎn)化爐管存放的環(huán)境，避免在露天環(huán)境與潮濕環(huán)境下存放[1]。

2.2 加強操作規(guī)程審定

加強對操作規(guī)程的建立與科學(xué)審定，通過多點測溫方式

監(jiān)控與參考數(shù)據(jù)，促使?fàn)t管壁溫在可控范圍內(nèi)。各爐管的溫度監(jiān)視點應(yīng)當(dāng)超過三個，定期進行檢查記錄，重點監(jiān)控爐膛溫度，降低爐管開裂的幾率，確保生產(chǎn)安全可靠性[2]。

2.3 減少爐溫波動

以三維電視紅外測量溫度為準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)化爐出口的溫度，綜合好爐管溫度預(yù)算與爐膛溫度預(yù)算及轉(zhuǎn)化爐出口工藝控制溫度間的關(guān)系，加強關(guān)聯(lián)性的控制，從而根據(jù)預(yù)算結(jié)果科學(xué)調(diào)整參數(shù)，確保各爐管內(nèi)的溫度波動在理想范圍內(nèi)。

2.4 加強檢查轉(zhuǎn)化爐

檢查監(jiān)護不當(dāng)也是引起轉(zhuǎn)化爐出現(xiàn)故障的重要原因，因此應(yīng)當(dāng)加強對其的檢查監(jiān)護頻率與力度。采取隨機巡查與定期檢查相結(jié)合的方式，監(jiān)管轉(zhuǎn)化爐的各部件情況[3]。當(dāng)各部件出現(xiàn)嚴重耗損后，會增大轉(zhuǎn)化爐的開裂故障傾向。因此應(yīng)當(dāng)科學(xué)展開部件的監(jiān)管工作，以盡可能的延長設(shè)備使用周期。

2.5 提高操作水平

作為轉(zhuǎn)化爐的檢修與維護與日常操作等技術(shù)人員，應(yīng)當(dāng)加強實踐經(jīng)驗總結(jié)，不斷提高自身的技能水平與操作經(jīng)驗。企業(yè)應(yīng)當(dāng)加大培訓(xùn)教育力度，或是請專家介入指導(dǎo)，切實提高工作人員的專業(yè)素養(yǎng)與技術(shù)水平，加強隊伍建設(shè)，降低故障發(fā)生幾率[4]。

3 總結(jié)

影響轉(zhuǎn)化爐管開裂的原因較多，本文主要對腐蝕因素引起的故障問題展開分析。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐管的故障問題，將會直接影響裝置整體運行成效，延長裝置的使用壽命，增加生產(chǎn)成本。因此應(yīng)當(dāng)圍繞轉(zhuǎn)化爐管開裂的原因，采取針對性的處理對策，包括加強操作規(guī)程審定與減少爐溫波動及提高工作人員的操作水平等措施，積極為降低故障率創(chuàng)造條件，從而滿足安全生產(chǎn)質(zhì)量控制的要求，提高裝置運行的效益。

參考文獻：

[1]陳向平，曾傳剛，李海建，等.天然氣轉(zhuǎn)化爐出口管系裂紋原因分析及解決方案[J].天然氣化工，2018，43（3）：63-67.

[2]孫原田，鄧華強，董霞，等.在用制氫轉(zhuǎn)化爐提高熱效率方法探索[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2019，40（4）：45-49.

[3]王強.制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管短節(jié)開裂原因分析[J].石油化工設(shè)備，2016，45（S1）：48-53.

[4]潘超.制氫裝置轉(zhuǎn)化爐下豬尾管開裂失效分析[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2018.