轉化爐混合原料氣盤管與集氣總管連接焊縫裂紋成因分析與對策

宗寧生，陳 江，李相鵬

（1.中國石油寧夏石化公司，寧夏 銀川 750026；2.浙江工業大學，浙江 杭州 310014）

轉化爐是大型合成氨裝置的關鍵核心設備之一，混合原料氣預熱盤管（簡稱預熱盤管）與集氣總管是轉化爐必不可少的重要組成部分，擔負混合原料氣的預熱和轉化爐煙道氣熱能回收的工藝作用。由于預熱盤管內主要介質是易燃易爆的天然氣，因此，其運行的安全性關系到裝置長周期運行和企業安全生產。某大型合成氨裝置轉化爐預熱盤管與集氣總管連接焊縫屢次出現穿透性裂紋，導致原料氣外泄，并起火燃燒，嚴重影響企業安全生產。

一、轉化爐預熱盤管相關管系配管與用材基本情況

二、預熱盤管連接焊縫裂紋成因分析

1.預熱盤管連接焊縫裂紋出現狀況

盡管通過技術改造徹底解決了混合原料氣盤管超溫問題，但自從1997年10月混合原料氣盤管的1#、2#盤管在焊縫的焊接熱影響區首次發現裂紋（裂紋沿焊縫熱影響區周向分布長約60mm）以來，又在其他盤管再次出現穿透性裂紋。現場觀察發現，集氣管三個支座均已離地，12根預熱盤管，除1#、4#和9#管堵管外，其他預熱盤管與集氣管N9管座的異種鋼焊接接口處都發現了穿透性裂紋，現場僅在接管處做了局部堵漏處理，嚴重影響裝置的安全運行。由于預熱盤管與集氣管焊接處的應力狀態受混合原料氣進氣總管、預熱盤管、集氣管及豬尾管上集氣管等相連管系，以及對流段煙道氣流流場與溫度分布的影響，應力關系十分復雜，在沒有經過系統應力分析的情況下，1997年、1998年和1999年三次針對預熱盤管焊口裂紋問題的技術改造并未徹底解決問題。

2.預熱盤管連接焊縫裂紋成因分析

異種鋼焊接接頭一般主要指奧氏體鋼和鐵素體鋼之間的連接形式。由于滿足結構強度、耐腐蝕性及選材經濟性等方面的需要，異種鋼焊接廣泛應用于石油化工設備、電站等行業的高溫管道和部件連接中。由于異種鋼焊接接頭的化學成分的不均勻性、金相組織的不均勻性和機械性能的不連續性，這種顯著的不均勻性使得焊接接頭不同區域在相同的條件下，表現出來的行為有很大的差異，出現弱化區域和強化區域，尤其是在高溫的條件下，異種鋼焊接接頭在服役過程中經常出現早期失效。文獻 [1]~[6]對2.25Cr1Mo與奧氏體不銹鋼堆焊接頭熔合區碳的遷移及成分分析、采用鎳基和奧氏體焊材焊接接頭的高溫性能、高溫臨氫管線和加氫裂化反應裝置中異質焊接接頭的顯微組織特征及其在高溫下的失效形式、以鎳基焊材作為填充材料的鍋爐異種鋼接頭焊接工藝等方面進行了研究。研究表明，對異種鋼接頭的破壞原因比較一致的意見是：異種鋼接頭的破壞，主要是由于在惡化了的顯微組織區內產生局部應變，超過了材料的允許范圍。

由于原料混合預熱盤管材料為A312TP347H（奧氏體不銹鋼）是通過材料為SA182-F22Cr1Mo）（鐵素體合金鋼）的鍛件管座與N9連接，因此，盤管與N9管座之間屬于異種鋼焊接。正常操作情況下N9出口原料氣體出口溫度為550℃，而轉化爐在1999年技術改造前一直處于超溫運行狀況，N9出口溫度高達580℃。由于對流段煙道氣引風機轉速不同，導致煙道氣偏流，使經過1#預熱盤管煙道氣溫度與較經過12#預熱盤管煙道氣溫度高10~20℃，因此，1#預熱盤管的壁溫將最高，與文獻 [7]實際測定吻合。

根據轉化爐安裝資料記錄，該焊口采用了奧氏體焊條焊接，因此，該焊口存在碳的遷移傾向。由于溫度越高越有利于碳遷移的發生，這與企業設備操作與檢修記錄中1#預熱盤管異種鋼焊口最早出現裂紋的結論一致。所以，轉化爐原料氣預熱盤管的異種鋼焊口出現裂紋是由于異種鋼焊縫碳遷移并在管系應力的聯合作用下而導致的，出現在焊縫機械性能最薄弱的位置（靠近管座側熱影響區）。

三、預熱盤管連接焊縫裂紋預防對策

研究表明，用奧氏體焊條焊接異種鋼（A312TP347H與SA182-F22（Cr1Mo）的焊接接頭，500℃以上時高溫運行碳的遷移不可避免。同時，關于采用不同焊接材料對異種鋼焊接接頭性能的影響研究和工程應用表明，采用鎳基焊條有以下優點：①鎳基焊條形成的焊縫由于Ni元素含量很高，能夠有效地抑制碳遷移的發生，從而在服役壽命內延緩碳遷移的發生，如果合金元素搭配合理，即使在服役初期發生了輕微的碳遷移，在隨后的服役中已經發生的碳遷移也會漸漸消失。②鎳基焊條形成的焊縫的熱脹系數與母材相差不大，不會引起較大的熱應力。③鎳基合金的高塑性和高溫強度對于緩解近縫區應力有很大的幫助。

解決轉化爐原料氣預熱盤管異種鋼焊口出現裂紋問題，可通過改造N9外出管道，如增加柔性元件或改變管道走向等，降低焊口處綜合應力水平，同時，采用鎳基焊條修復異種鋼焊口，此外，嚴格控制預熱盤管與N9超溫運行。

四、工程改造與考驗效果

采用ANSYS有限元軟件，對轉化爐原料混合氣預熱盤管及其管系進行了有限元分析計算，分析比較了盤管現有運行狀況、膨脹節改造方案、管道走向改變改造方案等情況下的位移和異種鋼焊縫處最大軸向應力，最后，采用改變管道走向改造方案進行工程實施，并采用鎳基焊條修復異種鋼焊口。自2007年改造后運行至今，連接焊縫再未發現裂紋，證明解決方案是成功的。

[1]姜勇等.采用鎳基和奧氏體焊材焊接Cr5Mo鋼焊接接頭的高溫性能 [J].壓力容器.

[2]姜勇.鎳基和奧氏體的Cr5Mo異種鋼焊接接頭的高溫性能研究.南京工業大學碩士學位論文.

[3]產天文.以鎳基焊材作為填充材料的鍋爐異種鋼接頭焊接工藝制度的試驗研究.武漢水利電力大學碩士學位論文.

[4]鄒楊.高溫臨氫管線和加氫裂化反應裝置中異質焊接接頭的顯微組織特征及其在高溫下的失效行為研究.武漢大學博士學位論文.

[5]張從平.2.25Cr1Mo奧氏體不銹鋼堆焊接頭熔合區碳的遷移及成分分析 [J].電焊機.

[6]黃文長等.珠光體-奧氏體異種鋼焊接接頭中碳遷移的跟蹤觀測[J].機械工程材料.

[7]廖新文，悅仲林.一段轉化爐混合原料氣盤管超溫原因分析及工藝處 [J].化肥設計.