转化炉混合原料气盘管与集气总管连接焊缝裂纹成因分析与对策

宗宁生，陈 江，李相鹏

（1.中国石油宁夏石化公司，宁夏 银川 750026；2.浙江工业大学，浙江 杭州 310014）

转化炉是大型合成氨装置的关键核心设备之一，混合原料气预热盘管（简称预热盘管）与集气总管是转化炉必不可少的重要组成部分，担负混合原料气的预热和转化炉烟道气热能回收的工艺作用。由于预热盘管内主要介质是易燃易爆的天然气，因此，其运行的安全性关系到装置长周期运行和企业安全生产。某大型合成氨装置转化炉预热盘管与集气总管连接焊缝屡次出现穿透性裂纹，导致原料气外泄，并起火燃烧，严重影响企业安全生产。

一、转化炉预热盘管相关管系配管与用材基本情况

二、预热盘管连接焊缝裂纹成因分析

1.预热盘管连接焊缝裂纹出现状况

尽管通过技术改造彻底解决了混合原料气盘管超温问题，但自从1997年10月混合原料气盘管的1#、2#盘管在焊缝的焊接热影响区首次发现裂纹（裂纹沿焊缝热影响区周向分布长约60mm）以来，又在其他盘管再次出现穿透性裂纹。现场观察发现，集气管三个支座均已离地，12根预热盘管，除1#、4#和9#管堵管外，其他预热盘管与集气管N9管座的异种钢焊接接口处都发现了穿透性裂纹，现场仅在接管处做了局部堵漏处理，严重影响装置的安全运行。由于预热盘管与集气管焊接处的应力状态受混合原料气进气总管、预热盘管、集气管及猪尾管上集气管等相连管系，以及对流段烟道气流流场与温度分布的影响，应力关系十分复杂，在没有经过系统应力分析的情况下，1997年、1998年和1999年三次针对预热盘管焊口裂纹问题的技术改造并未彻底解决问题。

2.预热盘管连接焊缝裂纹成因分析

异种钢焊接接头一般主要指奥氏体钢和铁素体钢之间的连接形式。由于满足结构强度、耐腐蚀性及选材经济性等方面的需要，异种钢焊接广泛应用于石油化工设备、电站等行业的高温管道和部件连接中。由于异种钢焊接接头的化学成分的不均匀性、金相组织的不均匀性和机械性能的不连续性，这种显著的不均匀性使得焊接接头不同区域在相同的条件下，表现出来的行为有很大的差异，出现弱化区域和强化区域，尤其是在高温的条件下，异种钢焊接接头在服役过程中经常出现早期失效。文献 [1]~[6]对2.25Cr1Mo与奥氏体不锈钢堆焊接头熔合区碳的迁移及成分分析、采用镍基和奥氏体焊材焊接接头的高温性能、高温临氢管线和加氢裂化反应装置中异质焊接接头的显微组织特征及其在高温下的失效形式、以镍基焊材作为填充材料的锅炉异种钢接头焊接工艺等方面进行了研究。研究表明，对异种钢接头的破坏原因比较一致的意见是：异种钢接头的破坏，主要是由于在恶化了的显微组织区内产生局部应变，超过了材料的允许范围。

由于原料混合预热盘管材料为A312TP347H（奥氏体不锈钢）是通过材料为SA182-F22Cr1Mo）（铁素体合金钢）的锻件管座与N9连接，因此，盘管与N9管座之间属于异种钢焊接。正常操作情况下N9出口原料气体出口温度为550℃，而转化炉在1999年技术改造前一直处于超温运行状况，N9出口温度高达580℃。由于对流段烟道气引风机转速不同，导致烟道气偏流，使经过1#预热盘管烟道气温度与较经过12#预热盘管烟道气温度高10~20℃，因此，1#预热盘管的壁温将最高，与文献 [7]实际测定吻合。

根据转化炉安装资料记录，该焊口采用了奥氏体焊条焊接，因此，该焊口存在碳的迁移倾向。由于温度越高越有利于碳迁移的发生，这与企业设备操作与检修记录中1#预热盘管异种钢焊口最早出现裂纹的结论一致。所以，转化炉原料气预热盘管的异种钢焊口出现裂纹是由于异种钢焊缝碳迁移并在管系应力的联合作用下而导致的，出现在焊缝机械性能最薄弱的位置（靠近管座侧热影响区）。

三、预热盘管连接焊缝裂纹预防对策

研究表明，用奥氏体焊条焊接异种钢（A312TP347H与SA182-F22（Cr1Mo）的焊接接头，500℃以上时高温运行碳的迁移不可避免。同时，关于采用不同焊接材料对异种钢焊接接头性能的影响研究和工程应用表明，采用镍基焊条有以下优点：①镍基焊条形成的焊缝由于Ni元素含量很高，能够有效地抑制碳迁移的发生，从而在服役寿命内延缓碳迁移的发生，如果合金元素搭配合理，即使在服役初期发生了轻微的碳迁移，在随后的服役中已经发生的碳迁移也会渐渐消失。②镍基焊条形成的焊缝的热胀系数与母材相差不大，不会引起较大的热应力。③镍基合金的高塑性和高温强度对于缓解近缝区应力有很大的帮助。

解决转化炉原料气预热盘管异种钢焊口出现裂纹问题，可通过改造N9外出管道，如增加柔性元件或改变管道走向等，降低焊口处综合应力水平，同时，采用镍基焊条修复异种钢焊口，此外，严格控制预热盘管与N9超温运行。

四、工程改造与考验效果

采用ANSYS有限元软件，对转化炉原料混合气预热盘管及其管系进行了有限元分析计算，分析比较了盘管现有运行状况、膨胀节改造方案、管道走向改变改造方案等情况下的位移和异种钢焊缝处最大轴向应力，最后，采用改变管道走向改造方案进行工程实施，并采用镍基焊条修复异种钢焊口。自2007年改造后运行至今，连接焊缝再未发现裂纹，证明解决方案是成功的。

[1]姜勇等.采用镍基和奥氏体焊材焊接Cr5Mo钢焊接接头的高温性能 [J].压力容器.

[2]姜勇.镍基和奥氏体的Cr5Mo异种钢焊接接头的高温性能研究.南京工业大学硕士学位论文.

[3]产天文.以镍基焊材作为填充材料的锅炉异种钢接头焊接工艺制度的试验研究.武汉水利电力大学硕士学位论文.

[4]邹杨.高温临氢管线和加氢裂化反应装置中异质焊接接头的显微组织特征及其在高温下的失效行为研究.武汉大学博士学位论文.

[5]张从平.2.25Cr1Mo奥氏体不锈钢堆焊接头熔合区碳的迁移及成分分析 [J].电焊机.

[6]黄文长等.珠光体-奥氏体异种钢焊接接头中碳迁移的跟踪观测[J].机械工程材料.

[7]廖新文，悦仲林.一段转化炉混合原料气盘管超温原因分析及工艺处 [J].化肥设计.