制氢转化炉下猪尾管焊缝开裂原因分析与对策

李红亮 彭宗丽 刘友恩 武成燕 秦珊（中原油田分公司石油化工总厂 河南 濮阳 457165）

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H P40NB,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H P40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6mm，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3mm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2mm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。

总结

门子形加欧米格形猪尾管结构在转化炉上的应用，增加了猪尾管的长度，从而改善了猪尾管焊缝处的受力，解决了局部应力过大的问题，确保了制氢转化炉的长周期安全运转；同时，也可为国内其它同类型装置猪尾管的选型及改造提供一定的经验。

[1]王桐海，制氢转化炉Incoloy800H合金下猪尾管断裂分析，化工机械，天华化工机械及自动化研究设计院出版社.

[2]钱家麟等，管式加热炉（第二版），中国石化出版社，2009.