制氢转化炉下猪尾管焊缝开裂原因分析与对策

2022-09-10

一、前言

转化炉是制氢单元的关键设备, 也是炼油化工企业中操作条件最苛刻的炉子之一。中原油田炼油厂制氢转化炉采用底烧——单排管双面辐射炉型, 共有6根炉管, 炉管材质为HP40NB, 规格110×14, 单排管。转化管采用上牵引下支撑结构。这种结构将其位移和膨胀量由上下尾管分担, 可以很好的防止炉管弯曲。下猪尾管和下集合管采用Incoloy800H材质, 耐高温, 强度好。下猪尾管采用单层保温, 下集合管为热壁结构, 由2组弹簧吊架悬挂支撑。转化炉自2010年10月运行以来, 共出现过2次下猪尾管焊缝开裂情况, 为此, 在对现场实际情况进行全面分析后, 于2013年10月, 对下部猪尾管进行了改造, 取得了理想的效果, 现将问题的分析及解决情况作一介绍。

二、问题分析

2011年10月份检修检查时, 发现下集合管在废热锅炉入口处出现鼓胀现象, 鼓胀量超过5%, 随委托厂家进行更换。在更换时, 按照检修计划, 我们将下部高温部位的所有焊口进行了渗透探伤, 检查发现从南边数第2、4根下猪尾管与炉管焊缝处有孔洞和裂纹, 氮气试压有鼓泡泄漏现象, 进行了维修。2012年4月26日21:30, 班组人员交接班检查时发现南边第3根猪尾管与下集合管焊缝处有冒火苗的情况, 判断是焊缝泄漏。在安排好维修力量后, 遂于28日进行了检修。检修探伤时发现此焊缝为开裂裂纹, 另外还有5处为裂纹和气孔缺陷, 都一并进行了维修。

转化炉下猪尾管焊口在一年半的时间内相继出现孔洞和开裂缺陷, 严重的影响了转化炉的长周期安全平稳运行。分析造成缺陷的原因, 我们认为主要由以下几点:

1. 炉膛、炉出口温度波动大时有超温现象。

设计炉膛温度为1200℃, 炉出口最高温度为830℃, 操作时不好兼顾这两个温度。目前, 一般处理量大的转化炉都首先采用顶烧式炉型, 侧烧式次之, 主要原因是从上部3米处反应最激烈, 吸热量也大, 这两种炉子结构可以更好的满足反应热量的需求, 而且底部出口温度也可以降下来, 下猪尾管的使用温度较低, 材料性能更好。采用底烧式时, 为了满足反应热的需要, 炉子底部温度较高。从HP40的最高设计使用温度为1100℃来看, 炉膛设计温度1200℃显得稍高, 一般炉膛温度比炉管温度高20--80℃.从2011年检修以前的操作实际测温来看, 当炉膛温度为1130℃时, 炉管外壁温度为1050℃, 按照炉管内外壁温差100℃来看, 出口温度要远比830℃高, 大概在950℃, 也就是Incoloy800H的最高使用温度。另外, 一般关系温度是按照膨胀情况设计的, 如果温度高, 膨胀量会比原设计的大, 下猪尾管变形量大, 焊缝处应力会变大, 在高温下使用会开裂。因此, 最高的炉膛温度定在1030~1050℃应该是合适的, 能同时满足炉管和猪尾管的温度要求。

2. 下猪尾管的结构有待调整

炉管采用上悬挂下支撑结构, 下集合管采用2组弹簧吊挂悬挂支撑, 固定点在废热锅炉入口处。炉管出口管系的膨胀吸收从使用情况来看较好, 没有出现变形。但是, 下集合管的2个弹簧吊挂调整的力偏大, 而且弹簧吊挂与管子连接采用的方式是卡箍, 管子在卡箍内不能自由的移动, 就拉着吊挂一起移动, 造成下集合管横向自由膨胀时受限, 整体往上偏, 两端最大偏移量约有6㎜, 中间往下凹。在施工时, 由于废热锅炉的中心比下集合管的中心偏高3㎜左右, 焊接时炉管也只能往上偏。以上两种因素, 造成下猪尾管往下的膨胀受限, 在焊口上部应力较大, 容易出现开裂。从两次的维修情况来看, 缺陷也都出现在上下焊口处的上部。因此, 需要改变下猪尾管的结构, 从而改善其受力。

3. 焊缝处可能存在焊接缺陷

下猪尾管采用氩弧焊技术, 为单面焊双面成型。炉管和下集合管有焊接成型的凸台, 猪尾管与其焊接采用承插焊, 承插焊时留有2㎜的间隙。焊接要在无风的条件下进行。焊接采用两次成型, 每次焊后都要做渗透探伤检验, 存在裂纹缺陷的可能性不大, 但在收弧和起弧的地方可能存在加钨的现象, 渗透探不到, 使用时会出现孔洞缺陷。

三、处理措施

1. 在保证处理量和转化效果的前提下, 尽量降低炉膛和炉出口的操作温度。2011年检修完后, 操作温度降了80℃左右, 转化气的甲烷含量能控制在指标之内。

2. 调整好炉管出口管系的膨胀吸收量, 尽量能让其整体向下膨胀, 而不能只靠下猪尾管去变形吸收膨胀量。由于炉子较小, 下部安装空间小, 下猪尾管的尺寸设计的也小, 变形后对焊口的作用力较大。因此, 改变下猪尾管结构, 能更好的吸收此处的应力。在2013年10月检修时, 我们更换了下猪尾管, 由原来的门子形改为门子形加欧米格形, 这样, 焊口的外加应力会小很多。

3. 加强监护运行。班组除正常巡检外, 每个班特护一次;技术人员每周点检一次, 此制度从2011年初已经执行, 效果很好, 出现问题能及时发现。