一段轉(zhuǎn)化爐爐管彎曲變形原因分析及預(yù)防措施

李洪海

（中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司，新疆庫爾勒 841000）

1 概 述

一段轉(zhuǎn)化爐（一段爐）為氣頭合成氨裝置的核心設(shè)備，其投資大、維護(hù)難度高，一旦出現(xiàn)問題影響面廣，一段爐轉(zhuǎn)化管（簡稱爐管）是一段爐內(nèi)的關(guān)鍵部件，維護(hù)好一段爐尤其是一段爐爐管的運(yùn)行意義重大。中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司（簡稱塔石化）合成氨裝置設(shè)計產(chǎn)能為450kt／a，采用丹麥托普索傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，蒸汽轉(zhuǎn)化過程在3.9MPa壓力條件下進(jìn)行，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原料氣水碳比為3.04（摩爾比）。較高的轉(zhuǎn)化壓力可有效節(jié)省系統(tǒng)總壓縮功，而較低的水碳比既能保證裝置的長周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，又可降低系統(tǒng)能耗。

塔石化合成氨裝置一段爐采用側(cè)燒式，設(shè)置2個南北走向的輻射室：北端鼓風(fēng)機(jī)（K202）提供一段爐燃燒所需的空氣，燃料氣由輻射室南端東側(cè)送入分配至各排燒嘴；南端設(shè)置煙氣對流段，預(yù)熱相關(guān)的預(yù)熱盤管內(nèi)的介質(zhì)，煙氣經(jīng)熱能回收后由引風(fēng)機(jī)（K201）抽出排入煙囪。

一段爐2個輻射室內(nèi)沿中心線分別設(shè)置裝有催化劑的爐管120根，總共240根。輻射室爐墻的每個側(cè)面自下而上設(shè)置有6排燒嘴，每排15個，共計360個燒嘴，燒嘴火焰通過爐壁輻射對爐管加熱而不直接接觸爐管。燒嘴助燃空氣通過K202強(qiáng)制通風(fēng)實現(xiàn)，必要的話可以通過調(diào)節(jié)安裝于每排燃料氣主管根部的截止閥沿爐管方向調(diào)節(jié)爐管外的火焰分布，運(yùn)行時可以根據(jù)燃燒情況調(diào)節(jié)每個燒嘴的燃料氣量和供風(fēng)量以調(diào)節(jié)其熱負(fù)荷。實際生產(chǎn)中，由于一段爐燒嘴數(shù)量多，將每個燒嘴熱負(fù)荷調(diào)整絕對均勻幾乎是不可能的，其調(diào)節(jié)過程主要是靠目視，即觀察每個燒嘴的燃燒情況，再結(jié)合每個集氣管出口溫度來判斷燒嘴的燃燒狀況。

燃料氣源自原料天然氣、弛放氣及系統(tǒng)開車時過剩的工藝氣，燃料氣系統(tǒng)投用過剩工藝氣或弛放氣時，由于調(diào)節(jié)的幅度和操作熟練程度不同，會造成其熱值的變化，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，最終造成爐管兩側(cè)熱負(fù)荷的變化。

2 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程

原料氣壓縮機(jī)加壓后的原料氣（原料天然氣），經(jīng)原料氣預(yù)熱盤管 （E2042／1）加熱至380℃后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，脫至硫含量低于0.05 mg／m3后與工藝蒸汽混合，并在混合氣預(yù)熱盤管（E201）中再次被加熱升溫至535℃；預(yù)熱后的混合氣進(jìn)入一段爐爐管，在轉(zhuǎn)化催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要生成H2和CO，轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量由輻射室兩側(cè)的燒嘴提供；經(jīng)過轉(zhuǎn)化反應(yīng)的工藝氣在一段爐出口被加熱至805℃后送入二段爐，控制一段爐出口氣中甲烷含量在11.08%（摩爾分?jǐn)?shù)）以下。蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式如下：

反應(yīng)式（1）為高碳烴不斷地轉(zhuǎn)化為低碳烴，一級一級地轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為甲烷；反應(yīng)式（2）為甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng)；反應(yīng)式（3）為變換反應(yīng)，其需要的熱量比反應(yīng)式（1）和反應(yīng)式（2）少得多。

一段爐的生產(chǎn)中，在轉(zhuǎn)化催化劑顆粒的內(nèi)部或表面有可能發(fā)生析炭，炭沉積在催化劑外表面會增加催化劑床層的阻力（壓降），炭聚集在催化劑內(nèi)部則會降低催化劑的活性以及機(jī)械強(qiáng)度；工況突變時，催化劑極易粉化，會使?fàn)t管的壓差和熱點溫度增大。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計原料氣水碳比為3.04，但在系統(tǒng)背壓、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力等波動時，原料氣水碳比會發(fā)生波動，會影響到爐管內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，這些變化都可能以爐管外表面溫度的變化得以體現(xiàn)。

3 近年一段爐（爐管）的運(yùn)行狀況

塔石化合成氨裝置自2010年投產(chǎn)以來，一段爐（爐管）一直運(yùn)行穩(wěn)定；2014年起發(fā)現(xiàn)爐管開始彎曲變形及顏色變亮，且一段爐出口轉(zhuǎn)化氣甲烷含量逐年升高；2015年一段爐轉(zhuǎn)化催化劑進(jìn)行過一次更換，2018年一段爐爐管彎曲變形等情況更加嚴(yán)重；2019年初部分爐管出現(xiàn)熱斑，爐管表面溫度接近或超過設(shè)計溫度，操作人員及時調(diào)整燒嘴背壓，降低了爐管溫度。通常情況下，為確保爐管的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，其操作溫度應(yīng)低于設(shè)計溫度，且據(jù)經(jīng)驗現(xiàn)階段爐管已處于使用壽命的中后期，更應(yīng)注重操作溫度的把控。在目前這種情況下，對一段爐爐管提高操作溫度的可行性進(jìn)行論證和預(yù)測爐管的剩余使用壽命顯得非常重要。因此，2019年冬季裝置停車檢修時，塔石化再次更換了轉(zhuǎn)化催化劑，并對彎曲變形較嚴(yán)重的10根爐管進(jìn)行了更換。

檢修過程中發(fā)現(xiàn)，一段爐爐管變形部位位于爐管的中下部，對應(yīng)第一、二、三、四排燒嘴的高度，并且變形較嚴(yán)重的爐管主要分布在東側(cè)爐膛內(nèi)的南端部位，而西側(cè)爐膛內(nèi)的爐管的狀況相對較好，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形或管體材質(zhì)變化現(xiàn)象。燒嘴與爐管（由北向南順序排列）的對應(yīng)分布關(guān)系如表1。

表1 燒嘴與爐管（由北向南順序排列）的對應(yīng)分布關(guān)系

更換的10根爐管大多分布在東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端，由北向南數(shù)分別為第54＃、67＃、84＃、88＃、90＃、91＃、111＃、112＃、114＃、119＃爐管。由表1可以看出：第54＃爐管對應(yīng)的是第7＃燒嘴，第67＃爐管對應(yīng)的是第9＃燒嘴，第84＃、88＃爐管對應(yīng)的是第11＃燒嘴，第90＃、91＃爐管對應(yīng)的是第12＃燒嘴，第111＃、112＃爐管對應(yīng)的是第14＃燒嘴，第114＃、119＃爐管對應(yīng)的是第15＃燒嘴；也就是說，發(fā)生嚴(yán)重變形的爐管大多分布在東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端一側(cè)，即燃料氣源一側(cè)。理論上一段爐爐管在現(xiàn)有的操作條件（壓力3.9 MPa、溫度940℃以下）下長期使用是可行的，但由于爐管已處于使用壽命的中后期，宜采用一些延長爐管服役周期的措施，即須精心操作、合理地控制工藝參數(shù)才能確保爐管剩余壽命期內(nèi)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2020年3月11日，合成氨裝置復(fù)工復(fù)產(chǎn)，通過紅外成像儀檢測一段爐底部爐管溫度，顯示偏高，于是對一段爐燒嘴負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，在運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，調(diào)整一段爐第一排燒嘴的熱負(fù)荷，為保證一段爐出口氣甲烷含量合格，維持一段爐出口氣溫度在799～803℃。

4 一段爐爐管彎曲變形的原因分析

為進(jìn)一步了解一段爐爐膛內(nèi)的燃燒狀況，掌握爐管彎曲變形的真正原因，正常生產(chǎn)情況下，利用熱成像儀從爐管側(cè)面觀火孔（每個輻射段兩端有側(cè)面觀火孔12個，兩輻射段總計24個觀火孔，對稱布置于爐膛兩端，如圖1）檢測爐管外壁溫度：打開觀火孔，在爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的情況下，按照自下而上及正面、對面的順序依次對爐管進(jìn)行測溫。100%負(fù)荷下，從側(cè)面觀火孔對一段爐爐管做整體成像檢測，記錄不同位置的最低溫度，結(jié)果見表2，有關(guān)分析如下。

圖1 一段爐觀火孔布置示意圖

表2 100%負(fù)荷下一段爐爐管不同位置的最低溫度℃

（1）從同一層觀火孔測得的溫度看，靠近燃?xì)庠磦?cè)也就是南端爐管外壁溫度普遍高于遠(yuǎn)離燃?xì)庠吹谋眰?cè)爐管外壁溫度，而東側(cè)爐膛表現(xiàn)尤為明顯。例如：1＃、2＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為948℃、953℃，分別高于3＃、4＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度945℃、944℃；13＃、14＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為945℃、947℃，分別高于15＃、16＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度939℃、938℃。這就是東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端爐管彎曲變形程度更嚴(yán)重，亦即更換的爐管大都處于這個部位的原因。

（2）從輻射爐膛同一端上、下方向測得的爐管外壁溫度看，下方爐管外壁溫度普遍高于上方爐管外壁溫度，而同是南端或北端上、下方向測得的爐管外壁溫度，一層平臺測得的高于二層平臺測得的，二層平臺測得的又高于三層平臺測得的，平均溫差在45℃。例如：東側(cè)爐膛南端1＃、2＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為948℃、953℃，分別高于9＃、10＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度939℃、948℃，更高于17＃、18＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度925℃、933℃。而在爐管內(nèi)，由上往下天然氣轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢，所需熱量由上往下減少，而燒嘴燃燒提供的熱量相對較多，從而造成爐管下部溫度較高，這也就是爐管底部容易發(fā)生質(zhì)變的原因。

（3）從一段爐東、西兩輻射爐膛溫度對比來看，東側(cè)輻射爐膛溫度要高于同部位的西側(cè)輻射爐膛溫度。例如：11＃、12＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為942℃、945℃，高于15＃、16＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度939℃、938℃。這就是西側(cè)爐膛內(nèi)爐管狀況好于東側(cè)爐膛內(nèi)爐管狀況的原因。

（4）從兩爐膛及同一爐膛內(nèi)爐管兩側(cè)的溫度對比來看，西側(cè)輻射爐膛內(nèi)溫度較為平均，而東側(cè)爐膛內(nèi)特別是靠近南端爐管東西兩面存在較大的溫差，西面溫度略高于東面溫度，亦即此處的爐管存在周向溫度差。例如：2＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為953℃，高于1＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度948℃；10＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度為948℃，高于9＃觀火孔處測得的爐管外壁溫度939℃。也就是說，周向溫差導(dǎo)致周向爐管的膨脹系數(shù)不一致，因此爐管普遍存在向西弓彎的現(xiàn)象，且周向溫差越大的部位爐管變形程度越嚴(yán)重。

綜合以上分析，可以得出如下結(jié)論：一段爐爐管彎曲變形的主要原因在于爐管局部存在周向溫差，周向溫差愈大，爐管彎曲變形愈嚴(yán)重。

5 優(yōu)化調(diào)整措施

5.1 調(diào)整部分燒嘴的熱負(fù)荷

結(jié)合上述分析，在保證一段爐出口氣甲烷含量合格的情況下，防止?fàn)t管彎曲變形的關(guān)鍵在于，減小部分燒嘴的燃料氣量，局部調(diào)整燒嘴熱負(fù)荷，亦即關(guān)小溫度較高的爐管對應(yīng)的燒嘴燃料氣閥和燃燒空氣閥開度，開大溫度較低的爐管對應(yīng)的燒嘴燃料氣閥開度和燃燒空氣閥開度。據(jù)一段爐溫度場分布規(guī)律以及爐膛內(nèi)熱點分布差異，塔石化對合成氨裝置一段爐燒嘴熱負(fù)荷進(jìn)行了如下調(diào)整。

（1）對于同一平臺4處觀火孔處測得的爐管外壁溫度存在較大偏差的問題，將靠燃料氣源較近的燒嘴的燃料氣量降低，微增遠(yuǎn)離燃料氣源一端燒嘴的燃料氣量，以使同平臺4個測溫點的溫度接近。例如：適當(dāng)關(guān)小1＃、2＃和5＃、6＃觀火孔附近的燒嘴燃料氣量和助燃空氣量，稍開大3＃、4＃和7＃、8＃觀火孔附近燒嘴的燃料氣量和助燃空氣量。

（2）對于同一輻射爐膛同一端上、下方向的燒嘴，保持下方燒嘴燃料氣閥和助燃空氣閥開度略小于上方燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度。針對一段爐同一爐管內(nèi)由上往下天然氣轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢造成的爐管下部溫度較高問題，將爐管上中部對應(yīng)燒嘴的燃料氣量開大，將爐管下部對應(yīng)燒嘴的燃料氣量微關(guān)小，以降低底部燒嘴的熱負(fù)荷。

（3）由于東側(cè)輻射爐膛溫度高于同部位的西側(cè)輻射爐膛溫度，因此適當(dāng)關(guān)小靠近燃料氣源的東側(cè)輻射段南端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度，相應(yīng)地適當(dāng)開大西側(cè)輻射段北端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度，以均衡東、西兩側(cè)同平面燒嘴的熱負(fù)荷。

（4）對于一段爐東側(cè)爐膛南端普遍存在爐管西面溫度高于東面溫度，也就是爐管兩側(cè)存在較大溫差的問題，將西面的燒嘴燃料氣量降低，提高東面燒嘴的燃料氣量，以使?fàn)t管東、西兩面燒嘴的熱負(fù)荷均衡，即主要開大了東側(cè)爐膛A面（即東面）第一排、第二排、第三排和第四排的7＃、9＃、11＃、12＃、15＃燒嘴的燃料氣閥，同時關(guān)小B面（即西面）第一排、第二排、第三排和第四排的7＃、9＃、11＃、12＃、15＃燒嘴的燃料氣閥5%。

上述部分燒嘴熱負(fù)荷調(diào)整后，在一段爐出口氣甲烷含量不超標(biāo)的情況下，一段爐出口氣溫度平均在798.8℃（調(diào)整前一段爐出口氣溫度平均在803℃），調(diào)整前后爐管外壁溫度的對比見表3。可以看出，一段爐水平方向各爐管外壁溫度以及同一爐管上、下外壁溫度的溫差縮小了，爐膛內(nèi)燒嘴燃燒的熱負(fù)荷分配更加合理。

表3 燒嘴熱負(fù)荷調(diào)整前后爐管外壁溫度的對比℃

5.2 加強(qiáng)系統(tǒng)工藝管理的其他措施

（1）確保一段爐嚴(yán)格按照設(shè)計的工藝參數(shù)運(yùn)行。

（2）嚴(yán)格控制合成氨裝置的開、停車次數(shù)，開停車過程中嚴(yán)格控制系統(tǒng)的升降溫速率不大于30℃／h。

（3）嚴(yán)格控制原料氣中對轉(zhuǎn)化催化劑有毒有害的硫等物質(zhì)的含量，避免轉(zhuǎn)化催化劑中毒而致天然氣轉(zhuǎn)化率降低。

（4）保證工藝蒸汽的品質(zhì)。

（5）據(jù)煙道氣分析數(shù)據(jù)及燒嘴燃燒情況，及時調(diào)節(jié)燒嘴燃料氣的背壓以及風(fēng)門、閥門的開度，避免燒嘴偏燒及二次燃燒，確保爐膛溫度分布均勻，防止局部過熱等。

6 結(jié)束語

綜上所述，塔石化針對其合成氨裝置一段爐爐管彎曲變形的問題，通過原因分析，采取了對部分燒嘴熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)以及加強(qiáng)系統(tǒng)工藝管理的措施后，取得了良好的效果：爐管熱點溫度得以降低，一段爐爐膛間及爐膛內(nèi)熱點溫度分布較為均勻，爐管間及爐管各部位間溫差減小；一段爐轉(zhuǎn)化催化劑再未發(fā)生析炭及爐管外壁超溫等現(xiàn)象，一段爐運(yùn)行狀況良好，各工藝參數(shù)均控制在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)。總之，通過優(yōu)化調(diào)整和加強(qiáng)工藝管理，塔石化合成氨裝置一段爐爐管局部應(yīng)力得到緩解，從而可降低今后運(yùn)行中爐管彎曲變形的可能性，延長爐管的使用壽命，有助于合成氨裝置的長周期、安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。