制氫轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化段集合管加強(qiáng)短接頭開裂分析

郭杰

摘要：2020年3月制氫爐轉(zhuǎn)化段預(yù)熱器加強(qiáng)短接頭因設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致應(yīng)力開裂，被迫緊急停工。針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行了修改，將加強(qiáng)短接頭接管取消，加強(qiáng)短接頭與對(duì)流管直接進(jìn)行焊接，避免倒角造成應(yīng)力集中，將轉(zhuǎn)化段預(yù)熱器整體更換。

關(guān)鍵詞：制氫轉(zhuǎn)化爐、應(yīng)力開裂、倒角

引言

轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置中轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器，屬于裝置的核心設(shè)備。這是一種非常特殊的外熱式列管反應(yīng)器，由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的強(qiáng)吸熱及高溫等特點(diǎn)，這種反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成加熱爐的形式嗎，催化劑裝填在一根根爐管內(nèi)，在爐膛內(nèi)直接加熱，烴類和水蒸氣通過爐管呃逆的催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。由于工藝介質(zhì)（烴+水蒸氣）在爐管內(nèi)一邊吸熱，一邊進(jìn)行著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，因此其工藝計(jì)算比一般加熱爐復(fù)雜得多。轉(zhuǎn)化預(yù)熱段主要是對(duì)精制后的原料氣加熱后進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器進(jìn)行下一步反應(yīng)，轉(zhuǎn)化段操作溫度520℃左右。 本裝置轉(zhuǎn)化爐采用是頂燒爐，這種爐型的燃燒器布置在輻射室頂部，轉(zhuǎn)化管受熱形式為單排管受雙面輻射，火焰與爐管平行，垂直向下燃燒，煙氣下行，從爐膛底部煙道離開輻射室，對(duì)流室布置在輻射室旁邊。

1問題

2020年3月設(shè)備點(diǎn)檢人員例行巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)制氫爐對(duì)流室轉(zhuǎn)化段預(yù)熱器有火焰射出（圖2、），立即通知當(dāng)班運(yùn)行人員及作業(yè)部管理人員。按照應(yīng)急預(yù)案相應(yīng)，裝置開始降量、降溫、降壓、停工。

停工后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，開裂泄漏位于轉(zhuǎn)化段集合管分支加強(qiáng)短接頭接管對(duì)焊口上部倒角線處（圖4），開裂以倒角加工線橫向延展裂口平整，典型的倒角應(yīng)力集中開裂，開裂長(zhǎng)度達(dá)到6cm，占加強(qiáng)短接頭周長(zhǎng)的近1/4。

2隱患

預(yù)轉(zhuǎn)化段預(yù)熱段與煙氣換熱后溫度高達(dá)560℃，接管一旦斷裂大量可燃?xì)怏w物料泄漏，形成噴射型火焰，不完全燃燒氣體在轉(zhuǎn)化爐頂部形成爆炸性混合氣體，發(fā)生不可控制的爆炸、火災(zāi)。

3集合管參數(shù)

轉(zhuǎn)化原料氣中主要含有H2O、H2、CO、CO2、 CH4、N2等。原料預(yù)熱段的操作壓力為2.65 MPa， 設(shè)計(jì)壓力為3.25 MPa，操作溫度為560℃～610℃。轉(zhuǎn)化段集合管設(shè)計(jì)溫度為630℃材質(zhì)為TP347H，強(qiáng)接頭的材質(zhì)為F347H（表1），加強(qiáng)短接頭鍛件經(jīng)過固熔處理，接頭與集合管焊接后進(jìn)行了整體穩(wěn)定化熱處理。

4檢測(cè)情況

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)無(wú)應(yīng)力情況時(shí)，加強(qiáng)短接頭處最大應(yīng)力位于內(nèi)部，應(yīng)力值約為25.2MPa。此次開裂最大應(yīng)力位于加強(qiáng)短接頭倒角處，應(yīng)力值約為90.3MPa。由表2可知，開裂加強(qiáng)短接頭處最大應(yīng)力高于600℃下材料的許用應(yīng)力，由此可見，爐管受熱膨脹后應(yīng)力集中與倒角處使得管壁外應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，導(dǎo)致爐管開裂。

由上圖可知，爐管在開裂過程中，管內(nèi)高溫原料氣（溫度在600℃～630℃）泄露發(fā)生燃燒，高溫燃燒對(duì)裂縫附近區(qū)域母材金相組織產(chǎn)生影響，導(dǎo)致晶粒粗大，碳析出，晶界弱化。

5施工修復(fù)

該制氫爐轉(zhuǎn)化段于2011年10月發(fā)生過加氫短接頭開裂，導(dǎo)致制氫裝置緊急停工搶修，由于第一次開裂原因分析不完全，對(duì)開裂部位接頭進(jìn)行了焊接并投用，未能分析辨識(shí)出存在的應(yīng)力問題，未能消除所存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。 2020年3月因設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致應(yīng)力集中，加強(qiáng)短接頭再次發(fā)生接管應(yīng)力開裂被迫緊急停工。針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行了修改，將加強(qiáng)短接頭接管取消，加強(qiáng)短接頭與對(duì)流管直接進(jìn)行焊接，避免倒角造成應(yīng)力集中，此次檢修轉(zhuǎn)化段預(yù)熱器整體更換。

結(jié)束語(yǔ)

通過兩次開裂分析，針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行了修改，將加強(qiáng)短接頭接管取消，避免倒角造成熱影響應(yīng)力集中開裂，對(duì)連接部位進(jìn)行改造，避免高溫臨氫管線開裂泄露。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第四版）

[3]GB150.1-150.4-2011，壓力容器[s]