蒸汽轉(zhuǎn)化爐加熱高壓蒸汽低溫盤管爆管原因分析及對(duì)策

袁文君（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

蒸汽轉(zhuǎn)化爐加熱高壓蒸汽低溫盤管爆管原因分析及對(duì)策

袁文君
（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

蒸汽轉(zhuǎn)化爐加熱高壓蒸汽低溫盤管發(fā)生爆管失效，通過對(duì)爆管部位材料進(jìn)行必要檢查、試驗(yàn)、分析，找出爆管失效原因，提出針對(duì)性處理辦法及運(yùn)行對(duì)策，旨在避免類似事故不再發(fā)生，從而降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

加熱高壓蒸汽；低溫盤管；爆管

正常運(yùn)行的各種流體管道由于種種原因會(huì)突然發(fā)生爆管，爆管事故的發(fā)生往往伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡，湖北當(dāng)陽矸石發(fā)電廠高壓蒸汽爆管事故造成21死5傷，可見爆管危害之大。據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)達(dá)國家管道爆管率達(dá)到每千公里0.8次/a，由此可見不管是國內(nèi)還是國外，爆管事故的發(fā)生還是比較頻繁。中海石油建滔化工有限公司600 000t/a天然氣制甲醇裝置蒸汽轉(zhuǎn)化爐加熱高壓蒸汽低溫盤管（E-01009Ⅰ）在正常生產(chǎn)過程中突然發(fā)生爆管，大量的高溫高壓蒸汽泄漏至轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段煙氣側(cè)導(dǎo)致裝置緊急停車。

1 設(shè)備簡介

加熱高壓蒸汽低溫盤管（E-01009Ⅰ）是位于蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段煙道內(nèi)的第三組盤管，通過與轉(zhuǎn)化爐煙氣換熱將325℃高壓蒸汽加熱至435℃以獲得設(shè)計(jì)需要的溫度。盤管單組結(jié)構(gòu)見圖1，整組盤管由52個(gè)單組并列排布，換熱盤管垂直布置，東西方向安裝，管內(nèi)介質(zhì)為高壓蒸汽，自西向東流動(dòng)通過集合管分配至各換熱管，管外為轉(zhuǎn)化煙氣，自南向北流動(dòng)經(jīng)與各組盤管換熱最后通過煙囪排入大氣，盤管材質(zhì)SA213 T12，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 加熱高壓蒸汽低溫盤管主要技術(shù)參數(shù)

2 爆管事故發(fā)生

2014年12月28日， 我 公 司600 000t/a天然氣制甲醇裝置處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，下午14時(shí)10分操作人員巡檢至蒸汽轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段加熱高壓蒸汽低溫盤管處發(fā)現(xiàn)此處爐墻外壁板由于溫度過高燒變白色，測(cè)得表面溫度局部高達(dá)490℃，可能是內(nèi)部隔熱陶瓷纖維模塊脫落所致。但是隔熱陶瓷纖維模塊不會(huì)無故脫落，必然有外力所為。此跡象表明只能是盤管內(nèi)高壓蒸汽泄漏沖刷爐墻導(dǎo)致的結(jié)果，鑒于超溫隨時(shí)可能燒塌對(duì)流段爐壁造成更大的損失，公司決定緊急停車檢修。

圖1 單組結(jié)構(gòu)簡圖

裝置停車后檢查發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽低溫盤管自東側(cè)起第2組、第3根換熱盤管發(fā)生爆管，相鄰4根管道有被沖刷黑色痕跡，見圖2，對(duì)應(yīng)煙道墻側(cè)隔熱陶瓷纖維模塊被泄漏出來的蒸汽吹落，見圖3。

圖2 發(fā)生爆管的換熱盤

圖3 被吹落的隔熱纖維模塊

經(jīng)對(duì)爆管缺陷進(jìn)一步宏觀檢查，爆口長約70mm、呈厚唇狀，如圖4。斷裂面粗糙且不整齊，破口邊緣粗鈍并有眾多肉眼可見平行于破口的軸向裂紋。同時(shí)在沿失效盤管長度方向未爆管區(qū)域的表面氧化層上也發(fā)現(xiàn)了大量的未貫穿的軸向裂紋，如圖5所示。

圖5 未貫穿的軸向裂紋

3 爆管原因分析

鑒于爆管的危害及對(duì)裝置安全運(yùn)行的影響，找到爆管的原因變得至關(guān)重要，只有找到爆管原因，才能采取切實(shí)可行的對(duì)策和解決辦法，從而避免爆管的再次發(fā)生。

3.1 設(shè)計(jì)選材不當(dāng)導(dǎo)致爆管

經(jīng)查設(shè)計(jì)文件，盤管材質(zhì)為SA213 T12，該材料屬于鐵素體+珠光體合金鋼，具有良好的工藝性能及焊接性能，在550℃以下溫度有較高的熱強(qiáng)性能和抗氧化性能。而盤管的設(shè)計(jì)溫度為494℃，所以設(shè)計(jì)選材是合理的。

3.2 焊接質(zhì)量差導(dǎo)致爆管

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)爆口出現(xiàn)在換熱管本體遠(yuǎn)離焊口位置，見圖4。可以排除焊接質(zhì)量導(dǎo)致爆管。

3.3 管材制造質(zhì)量差導(dǎo)致爆管

管道本身存在分層、夾渣等缺陷，運(yùn)行時(shí)受溫度和壓力影響，缺陷擴(kuò)大就會(huì)導(dǎo)致爆管發(fā)生，經(jīng)查原始資料發(fā)現(xiàn)該批管材有合格的檢驗(yàn)證書，同時(shí)對(duì)未發(fā)生爆管其它管道分別在東側(cè)、中間、西側(cè)三個(gè)位置各選取1根盤管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)射線檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)分層、夾渣缺陷；金相檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)組織異常，未發(fā)現(xiàn)母材晶粒粗化現(xiàn)象，如圖6、7、8所示。

圖6 （100×）

圖7 （100×）

圖8 （100×）

3.4 局部超溫導(dǎo)致爆管

管材金屬超過允許使用極限溫度，內(nèi)部組織發(fā)生變化，降低了許用應(yīng)力，管子在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，最后導(dǎo)致超溫爆管，為此特委托中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院對(duì)更換下來發(fā)生爆管的管段進(jìn)行必要的檢測(cè)，以找到爆管的最終原因。

對(duì)發(fā)生爆管管段材質(zhì)化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)Cr和Mo元素含量偏低，檢測(cè)結(jié)果如表2。

表2 盤管材質(zhì)成分分析結(jié)果 %

對(duì)爆口處及附近的金相顯微檢測(cè)發(fā)現(xiàn)微觀裂紋沿晶界擴(kuò)展，裂紋尖端圓滑，微觀組織為鐵素體+珠光體，且有珠光體球化傾向，球化級(jí)別為5級(jí)（完全球化），晶粒度8級(jí)。如圖9、10、11所示。

圖9 （100×）

圖10 （200×）

圖11 （100×）

對(duì)距爆口處沿管子上下各1米處的金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)微觀組織為鐵素體+珠光體，且有珠光體球化傾向，球化級(jí)別為5級(jí)（完全球化），晶粒度8級(jí)，如圖12、13所示。

圖12 （100×）

圖13 （100×）

對(duì)爆口附近及距爆口600mm處不存在表面裂紋區(qū)域取樣測(cè)定其力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果表明，其抗拉強(qiáng)度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值偏低，屈服強(qiáng)度和斷后延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)發(fā)生爆管管段材質(zhì)成分分析、金相檢查及力學(xué)性能測(cè)試表明，Cr元素含量比標(biāo)準(zhǔn)要求下限值低0.08%，Cr元素含量的少許降低，并不能直接導(dǎo)致材質(zhì)從未發(fā)生球化轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生5級(jí)球化；爆口處抗拉強(qiáng)度降低是因?yàn)榘l(fā)生球化，這些合金元素的再分配，必然會(huì)導(dǎo)致母材強(qiáng)度的降低；而金相檢查結(jié)果表明，母材組織發(fā)生球化劣化，球化程度達(dá)到5級(jí)，這說明爆口處沿管段上下至少1m范圍內(nèi)均發(fā)生同等程度的損傷，盤管是先發(fā)生球化導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，后在相對(duì)薄弱處發(fā)生爆管，盤管超溫導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低是盤管爆管的直接原因。

4 爆管處理及對(duì)策

4.1 爆管處理辦法

如圖1所示，每根換熱盤管之間距離只有150mm，單組盤管之間距離為103mm，無論是單根換熱盤管之間距離還是單組盤管之間距離都較小，操作空間有限，若要更換爆管管段非常困難。檢修目的就是為了盡快消除漏點(diǎn)，恢復(fù)生產(chǎn)，本著盡可能降低因爆管造成的損失，經(jīng)與檢修單位商量，采取在發(fā)生爆管的整根換熱盤管與進(jìn)出口集合管根部連接焊縫位置切除，然后加工同材質(zhì)錐形堵頭楔入進(jìn)出口集合管側(cè)支管內(nèi)，再將堵頭與支管焊接牢固的處理方案，將爆管損壞的換熱盤管隔離報(bào)廢處理，如圖14所示。

圖14 爆管處理圖

4.2 今后運(yùn)行對(duì)策

為了防止設(shè)備再次超溫對(duì)設(shè)備造成的損壞，主要采取以下對(duì)策：

（1）嚴(yán)格控制蒸汽轉(zhuǎn)化爐煙氣溫度，保證盤管煙氣側(cè)入口溫度不超過設(shè)計(jì)溫度886℃，防止煙氣溫度過高導(dǎo)致盤管外壁溫度超溫爆管。

（2）利用停車檢修機(jī)會(huì)對(duì)盤管進(jìn)行刷管清灰處理，清除附著在盤管表面的煙塵，提高盤管換熱效率，防止換熱盤管超溫爆管。

（3）保證充足的蒸汽流量，防止蒸汽分配不均或偏流導(dǎo)致盤管局部溫度超溫，尤其是處于集合管蒸汽入口下游的盤管，更容易出現(xiàn)因蒸汽分配不均或偏流導(dǎo)致超溫爆管，本次發(fā)生爆管的盤管就處在此位置。

（4）嚴(yán)格控制汽包爐水指標(biāo)，保證蒸汽品質(zhì)，控制高壓蒸汽電導(dǎo)率≤20μs/cm，SiO2＜20μg/L，定期對(duì)蒸汽進(jìn)行取樣分析，防止換熱盤管內(nèi)壁結(jié)垢影響換熱效率從而導(dǎo)致盤管局部超溫爆管。

（5）穩(wěn)定工藝操作，防止蒸汽壓力及流量的驟降驟升導(dǎo)致盤管超溫爆管。

（6）利用停車檢修機(jī)會(huì)對(duì)盤管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有母材晶粒粗大或球化現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)更換，防止爆管再次發(fā)生。

5 結(jié)束語

2014年12月出現(xiàn)爆管修復(fù)后嚴(yán)格按照制定的運(yùn)行對(duì)策進(jìn)行操作，盤管煙氣側(cè)入口實(shí)際控制溫度791℃、蒸汽電導(dǎo)率實(shí)際控制數(shù)據(jù)平均10.1μs/cm，SiO2實(shí)際控制數(shù)據(jù)平均2μg/L，盤管修復(fù)后至今已運(yùn)行2a未出現(xiàn)任何泄漏，說明采取的對(duì)策是可行、可靠且有效的。本案具有一定的代表性，采取的處理辦法及對(duì)策也具有參考性。通過對(duì)爆管原因的分析，采取可靠解決辦法及運(yùn)行對(duì)策，可以有效地避免設(shè)備運(yùn)行中再次出現(xiàn)類似爆管事故。

[1] 姜求志、王金瑞.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)[S].北京：中國電力出版社，2000.

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[5] GB/T20123—2006鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）[S].

Cause Analysis and Countermeasures of Heating High Pressure Steam Low Temperature Coil Explosion in Steam Reformer

Yuan Wen-jun

Failure of heating high pressure steam low temperature coil in steam reformer，Through the necessary inspection，test and analysis of the material of the explosive tube，find out the cause of the failure，Put forward the corresponding measures and Countermeasures，To avoid the occurrence of similar accidents，thereby reducing the risk of equipment operation.

heating high pressure steam；low temperature coil；burst pipe

TQ223.121

A

1003-6490（2016）12-0011-02

2016-11-15

袁文君（1976—），男，江蘇南通人，工程師，主要從事化工生產(chǎn)設(shè)備管理工作。