開工加熱爐爐管爆管原因分析及處理

陳風敬，左孟如

(1.中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223；2.武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北武漢 430200)

開工加熱爐爐管爆管原因分析及處理

陳風敬1，左孟如2

(1.中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223；2.武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北武漢 430200)

針對一起50萬t合成氨工藝裝置開工加熱爐發生爐管爆管的事故，分析了爆管原因，通過帶缺口試件與標準試件的拉伸對比試驗研究，確定了缺口對試件綜合承載能力的影響，驗證了爆管原因，為該爆管的開工加熱爐的維修處理提供了科學依據。

爐管；表面缺陷；應力；機械性能；鼓包

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.014

以煤為原料的年產50萬t合成氨工藝裝置都在合成工段設置有開工加熱爐，為合成工段的開車運行階段提供熱能，使進入合成觸媒的新鮮合成氣達到合成催化劑活性要求的起活溫度。某廠新建的年產50萬t合成氨工藝裝置試生產近1年時間，在一次開車過程中發生合成開工加熱爐爆管事故，造成裝置被迫停車。經調查、分析，實施了設計單位提出的解決方案后，裝置現已連續運行6年有余，為后續同類型項目提供了防范和處理經驗。

1 問題及研究

1.1 開工加熱爐爆管事故的有關情況

2009年5月，某廠在一次開車過程中，各裝置和系統操作一切正常，在合成工段運行過程中，開工加熱爐點火運行，氣體流量、壓力及檢測溫度逐漸上升，一切數據都在控制值范圍內，運行良好，但在平穩運行中發生合成開工加熱爐爆管事故，開工加熱爐防爆門全部飛離本體，因爆管氣浪沖擊造成本體設備法蘭發生變形，事故造成裝置被迫停車。業主、設備供應商及設計單位組成聯合事故調查小組進行事故調查、分析。

1.2 爆管原因

針對開工加熱爐的爆管，調查小組有兩種不同的觀點：一種觀點認為爆管是由于操作失誤，造成高溫形成鼓包，然后爆管，這一觀點的主要依據為鼓泡現象，并得到業內人士的認同；另一種觀點認為爆管點處內壁存在的較深拉傷是因產品缺陷引起，加上在高溫和內壓下應力疊加，應力水平超出材料屈服限，導致變形爆裂，是產品質量問題造成爆管，在爆點附近其他已變形還未爆的地方也都存在同樣拉傷痕跡，也印證了該觀點。調查小組針對兩種觀點進行了充分地討論，形成比較一致的意見，即進行機械性能、化學成分等指標檢驗，視檢驗結果而定結論和處理辦法。

2 結果與驗證

2.1 現場分析與檢測結果

基于上述第一種觀點，即可能是管內超溫超壓造成事故。開車過程中發生超溫工況，最主要的原因可能是管內無氣體流量，管外繼續加熱。在投用后，也可能有超壓或同時有超溫和超壓等狀況，情況比較復雜。經過充分技術準備后，調查組進入控制室調出生產記錄進行檢查，對事故前一段時間內的運行數據進行排查。檢查結果表明，生產記錄的曲線完整、齊全、平穩，開車過程曲線也未見超溫超壓的異常波動，直到爆管出現異常掉壓。此外，調查組還檢查了值班記錄，并對操作和當班負責人等進行了詢問。最后，調查組形成一致意見，認為操作上沒有問題。

與此同時，調查組對爐管的機械性能和材料化學成分進行分析，對爐管內表面缺陷進行檢查。結果表明，爐管化學成分和機械性能檢測均為合格，唯有爐管內表面發現多處拉傷痕跡，寬度范圍在3～5 mm，深度范圍2～5 mm，長度范圍在1 000～1 800 mm，在同一斷面上有2處或3處的拉傷痕跡。爆管處和已經變形未爆的地方，均存在拉傷缺陷，具體詳見圖3中標識的爐管進口A、出口C及爆管B等位置。爆管斷面具有變形不充分、變形斷口呈現晶粒狀的特征。

因此，調查小組得出結論：爐管內表面缺陷的質量問題是產生爆管的直接原因。

2.2 分析與驗證

為了進一步證實調查小組結論的正確性，技術人員做了材料的拉伸試驗測試，通過對模擬缺口缺陷的材料機械性能與無缺陷材料機械性能進行測試，對分析結論進行驗證。具體情況如下。

2.2.1 機械性能測試試件

爐管周向應力是計算考慮的主要因素，也是拉傷影響最為主要的因素，對應考慮拉伸試件。因管材試樣制作相對繁瑣，故采用板材來做試驗。盡管拉伸試驗數值會不盡相同，但對分析應力集中的比例系數是不影響分析結論的。也正因此，試驗采用板材制作矩形標準試件。試驗標準試樣見圖1。

圖1 標準試樣

試件材質S30408，名義壁厚12 mm，制作3件，編號A1、A2、A3。

2.2.2 帶缺陷機械性能測試試件

帶缺陷的試樣見圖2。

圖2 帶缺陷的試樣

帶缺陷試樣與標準試樣為同批材料，材質S30408，名義壁厚12 mm，制作3件，編號A4、A5、A6，中間部位開設有缺口，其寬×深為5 mm×4 mm。

2.2.3 機械拉伸試驗數據及對比

將標準試樣和帶缺陷試樣的試驗數據歸集在表1。

表1 試驗數據情況

可以分別求得A1、A2、A3件的屈服載荷及極限載荷平均值：

而A4、A5、A6件的屈服載荷及極限載荷平均值：

兩種情況下的屈服載荷及極限載荷之比即為承載降低系數。

實驗表明：由于缺陷的作用，應力發生集中，造成實際承載能力下降至約原值的73.83%，發生材料屈服變形，發生斷裂時，其承載能力下降為原值的約69.46%。

2.3 爐管承載能力計算結果

爐管設計主要計算數據見表2，應力情況見表3，設備簡圖見圖3，B處爆管見圖4。

表2 開工加熱爐盤管強度計算

圖3 設備簡圖

圖4 B處爆管

不計溫差應力的影響，僅僅考慮強度應力的情況，計算應力為：

結果表明安全。

缺口處實際計算承載應力：

結果表明發生屈服(或斷裂)。

此時屈服(或斷裂)安全的承載極限內壓：

在正常范圍內已經發生屈服(或斷裂)。

采用名義壁厚Sn實=12-4=8計算，缺口應力和內壓分別為：

試件的實際測試數據表明：

結果表明發生屈服。

結果表明發生斷裂。

表3 應力情況

上述結果足以證明管內表面缺陷是爆管的決定性因素。盡管略去了溫差應力和采用常溫的降低系數來代替高溫下的降低系數，但還是可以說明問題。根據原爐管計算結果，其承載至13.49 MPa時爐管局部發生屈服變形，在還沒有充分變形伸延，就發生破裂，與爐管爆管斷口以及還未爆的斷口上實際情況吻合。

2.4 最終處理方案與實施

處理的意見也出現兩種：一是局部更換破裂的管段，修復后再用，這種觀點主要是基于操作超溫造成的事故；持反對的意見認為，主要是材料內壁缺陷造成，沒有發現超溫記錄，同時更重要的是爐管(盤管)多處發現內壁缺陷(具體見下部入口A處、爆管B處及上部出口C處)，整批管都可能存在內表面缺陷問題，整體更換是必要的。基于質量問題，對與該設備同批進料制造的另一臺開工加熱爐爐管也進行整體更換的處理。更換工作分為制造廠內預制盤管和現場安裝兩部分工作，先在制造廠進行盤管彎制，后送到現場安裝、組對、焊接、檢驗及水壓試驗。

2.5 運行結果

由于各方重視，爐管更新后，經檢測和試壓合格，設備投入使用，且歷時6年多的運行，經受了各種工況檢驗，其質量可靠、安全性好得到證明，再沒有發生任何意外事故。

3 結語

本文所述開工加熱爐爆管的主要原因是爐管材料內壁表面缺陷引起應力集中，在正常高溫、高壓下應力水平超過材料屈服限，從而造成破壞。因該批管內表面多處存在嚴重拉傷缺陷，已不適宜局部更換，故采用新爐管更換，替代原整件爐管，處理后的裝置經受6年多時間運行考驗，仍然正常如初。事后技術人員采用模擬實驗進行驗證，分析結論如下。

(1)缺陷應力集中造成承載力下降，可以用缺口試件綜合承載力與標準試件承載力之比反應降低程度，其比值可以稱之為承載降低系數。本實驗案例中的承載降低系數為0.738。

(2)利用承載降低系數進行應力計算和分析，其結果與采用名義壁厚在缺口處的最小壁厚值計算結果十分接近，誤差不到1%。

(3)采用替代材料常溫下的對比實驗，對本案例的分析結果影響誤差可以忽略不計。

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Analysis of Cause and Treatment of Tube Burst of Start-up Furnace

CHEN Feng-jing1，ZUO Meng-ru2
(1.Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China；2.Wuhan Donghai Petrochemical Heavy Equipment Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430200 China)

Aiming at the tube burst in a 500-thousand-ton synthetic ammonia process device，this paper analyzes the cause of tube burst.Based on a comparative tensile test between the notched specimen and the standardized specimen，the impact of notch on the comprehensive tensile strength of the specimen has been determined，and the causes of tube burst has been verified.All of these provide a scientific basis for the maintenance of the start-up furnace with the tube burst.

furnace tube；surface defects；stress；mechanical properties；bulge

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.014

TQ440.5

B

1004-8901(2016)05-0054-04

2016-06-01

陳風敬(1958年-)，男，重慶人，1989年畢業于華中理工大學機械工程專業，教授級高級工程師，現主要從事化工設備設計及技術管理等工作。