制氫轉化爐下豬尾管焊縫開裂原因分析與對策

李紅亮 彭宗麗 劉友恩 武成燕 秦珊（中原油田分公司石油化工總廠 河南 濮陽 457165）

一、前言

轉化爐是制氫單元的關鍵設備，也是煉油化工企業中操作條件最苛刻的爐子之一。中原油田煉油廠制氫轉化爐采用底燒——單排管雙面輻射爐型，共有6根爐管，爐管材質為H P40NB,規格110×14，單排管。轉化管采用上牽引下支撐結構。這種結構將其位移和膨脹量由上下尾管分擔，可以很好的防止爐管彎曲。下豬尾管和下集合管采用Incoloy800H材質，耐高溫，強度好。下豬尾管采用單層保溫，下集合管為熱壁結構，由2組彈簧吊架懸掛支撐。轉化爐自2010年10月運行以來，共出現過2次下豬尾管焊縫開裂情況，為此，在對現場實際情況進行全面分析后，于2013年10月，對下部豬尾管進行了改造，取得了理想的效果，現將問題的分析及解決情況作一介紹。

二、問題分析

2011年10月份檢修檢查時，發現下集合管在廢熱鍋爐入口處出現鼓脹現象，鼓脹量超過5%，隨委托廠家進行更換。在更換時，按照檢修計劃，我們將下部高溫部位的所有焊口進行了滲透探傷，檢查發現從南邊數第2、4根下豬尾管與爐管焊縫處有孔洞和裂紋，氮氣試壓有鼓泡泄漏現象，進行了維修。2012年4月26日21:30，班組人員交接班檢查時發現南邊第3根豬尾管與下集合管焊縫處有冒火苗的情況，判斷是焊縫泄漏。在安排好維修力量后，遂于28日進行了檢修。檢修探傷時發現此焊縫為開裂裂紋，另外還有5處為裂紋和氣孔缺陷，都一并進行了維修。

轉化爐下豬尾管焊口在一年半的時間內相繼出現孔洞和開裂缺陷，嚴重的影響了轉化爐的長周期安全平穩運行。分析造成缺陷的原因，我們認為主要由以下幾點：

1.爐膛、爐出口溫度波動大時有超溫現象。

設計爐膛溫度為1200℃，爐出口最高溫度為830℃，操作時不好兼顧這兩個溫度。目前，一般處理量大的轉化爐都首先采用頂燒式爐型，側燒式次之，主要原因是從上部3米處反應最激烈，吸熱量也大，這兩種爐子結構可以更好的滿足反應熱量的需求，而且底部出口溫度也可以降下來，下豬尾管的使用溫度較低，材料性能更好。采用底燒式時，為了滿足反應熱的需要，爐子底部溫度較高。從H P40的最高設計使用溫度為1100℃來看，爐膛設計溫度1200℃顯得稍高，一般爐膛溫度比爐管溫度高20--80℃.從2011年檢修以前的操作實際測溫來看，當爐膛溫度為1130℃時，爐管外壁溫度為1050℃，按照爐管內外壁溫差100℃來看，出口溫度要遠比830℃高，大概在950℃，也就是Incoloy800H 的最高使用溫度。另外，一般關系溫度是按照膨脹情況設計的，如果溫度高，膨脹量會比原設計的大，下豬尾管變形量大，焊縫處應力會變大，在高溫下使用會開裂。因此，最高的爐膛溫度定在1030～1050℃應該是合適的，能同時滿足爐管和豬尾管的溫度要求。

2.下豬尾管的結構有待調整

爐管采用上懸掛下支撐結構，下集合管采用2組彈簧吊掛懸掛支撐，固定點在廢熱鍋爐入口處。爐管出口管系的膨脹吸收從使用情況來看較好，沒有出現變形。但是，下集合管的2個彈簧吊掛調整的力偏大，而且彈簧吊掛與管子連接采用的方式是卡箍，管子在卡箍內不能自由的移動，就拉著吊掛一起移動，造成下集合管橫向自由膨脹時受限，整體往上偏，兩端最大偏移量約有6mm，中間往下凹。在施工時，由于廢熱鍋爐的中心比下集合管的中心偏高3mm左右，焊接時爐管也只能往上偏。以上兩種因素，造成下豬尾管往下的膨脹受限，在焊口上部應力較大，容易出現開裂。從兩次的維修情況來看，缺陷也都出現在上下焊口處的上部。因此，需要改變下豬尾管的結構，從而改善其受力。

3.焊縫處可能存在焊接缺陷

下豬尾管采用氬弧焊技術，為單面焊雙面成型。爐管和下集合管有焊接成型的凸臺，豬尾管與其焊接采用承插焊，承插焊時留有2mm的間隙。焊接要在無風的條件下進行。焊接采用兩次成型，每次焊后都要做滲透探傷檢驗，存在裂紋缺陷的可能性不大，但在收弧和起弧的地方可能存在加鎢的現象，滲透探不到，使用時會出現孔洞缺陷。

三、處理措施

1.在保證處理量和轉化效果的前提下，盡量降低爐膛和爐出口的操作溫度。2011年檢修完后，操作溫度降了80℃左右，轉化氣的甲烷含量能控制在指標之內。

2.調整好爐管出口管系的膨脹吸收量，盡量能讓其整體向下膨脹，而不能只靠下豬尾管去變形吸收膨脹量。由于爐子較小，下部安裝空間小，下豬尾管的尺寸設計的也小，變形后對焊口的作用力較大。因此，改變下豬尾管結構，能更好的吸收此處的應力。在2013年10月檢修時，我們更換了下豬尾管，由原來的門子形改為門子形加歐米格形，這樣，焊口的外加應力會小很多。

3.加強監護運行。班組除正常巡檢外，每個班特護一次；技術人員每周點檢一次，此制度從2011年初已經執行，效果很好，出現問題能及時發現。

總結

門子形加歐米格形豬尾管結構在轉化爐上的應用，增加了豬尾管的長度，從而改善了豬尾管焊縫處的受力，解決了局部應力過大的問題，確保了制氫轉化爐的長周期安全運轉；同時，也可為國內其它同類型裝置豬尾管的選型及改造提供一定的經驗。

[1]王桐海，制氫轉化爐Incoloy800H合金下豬尾管斷裂分析，化工機械，天華化工機械及自動化研究設計院出版社.

[2]錢家麟等，管式加熱爐（第二版），中國石化出版社，2009.