甲烷轉(zhuǎn)化F04301蒸氧管線裂紋產(chǎn)生原因分析

顏培旭

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

2014年11月3日，合成工藝人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)蒸氧管線OX-04303-150-E6M50的保溫有水滴漏，拆開保溫發(fā)現(xiàn)該管道有兩條裂紋，隨后用夾具進(jìn)行帶壓堵漏，在安裝夾具時(shí)又發(fā)現(xiàn)旁邊還有微裂紋，隨后通報(bào)調(diào)度決定停車進(jìn)行檢查檢修。將裂紋管道進(jìn)行一系列的檢查檢測(cè)，該管道材質(zhì)為304、壁厚為 4 mm 均與設(shè)計(jì)一樣，整根管道滲透檢測(cè)后又發(fā)現(xiàn)幾條環(huán)向裂紋，裂紋產(chǎn)生的位置見圖1。另外通過(guò)工藝了解，該管道在開車前要升溫到 650 ℃，壓力保持在 0.5 MPa 以下，時(shí)間為2～3小時(shí)，隨后投蒸氧溫度下降，壓力升高，最終正常運(yùn)行工況溫度 300 ℃，壓力 2.5 MPa，但由于蒸汽和氧氣不能夠充分混合均勻，因此溫度會(huì)隨時(shí)波動(dòng)。

圖1 裂紋產(chǎn)生的位置

為了提高管道的強(qiáng)度及材質(zhì)在高溫情況下的使用性能[1]，2015年4月份大修期間將該管道壁厚由原來(lái)設(shè)計(jì)的 4 mm 提高至 6 mm，管道材質(zhì)由原來(lái)設(shè)計(jì)的普通不銹鋼304改為耐熱型不銹鋼304H材質(zhì)。

2016年10月28日合成工藝人員巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)此根蒸氧管線再次出現(xiàn)外漏，參考原來(lái)管道出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，暫且沒(méi)有考慮帶壓堵漏方案處理漏點(diǎn)，為了不影響工藝的正常運(yùn)行，將出現(xiàn)裂紋的管段整根進(jìn)行更換，裂紋產(chǎn)生的原因要進(jìn)一步分析。

1 管道檢查情況

蒸氧管道主要是從裂紋產(chǎn)生的數(shù)量、裂紋擴(kuò)展情況、管道的壁厚、硬度、管道的變形及內(nèi)部沖刷情況進(jìn)行檢查[2]。

1.1 管道的壁厚、硬度及變形情況

將產(chǎn)生裂紋的直管段切割開，在端部明顯能看到管壁一側(cè)有減薄現(xiàn)象。蒸氧管道在安裝現(xiàn)場(chǎng)是南北走向，經(jīng)滲透探傷檢測(cè)，產(chǎn)生裂紋位置在管道的西側(cè)，而減薄的位置在管道的東偏下側(cè)(以管道南北中軸線為參考)，約占整圈管道的1/3，壁厚由原來(lái)的 6.5 mm 減薄至 5.5 mm，減薄的長(zhǎng)度約 200 mm，但是減薄側(cè)沒(méi)有裂紋產(chǎn)生,如圖2所示。

切割下來(lái)的整根管道長(zhǎng)度為 2340 mm，管道表面出現(xiàn)輕微的變形現(xiàn)象，最大變形量約 3 mm，如圖3所示。

對(duì)整根管道分成兩端及中間三部分進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值分別為HB118、HB114、HB112，不銹鋼的硬度標(biāo)準(zhǔn)為HB≤187。

圖2 管道1/3圈出現(xiàn)減薄現(xiàn)象

圖3 管道的變形情況

1.2 管道的裂紋擴(kuò)展情況

對(duì)蒸氧管道外表面進(jìn)行滲透檢測(cè)[3]，發(fā)現(xiàn)靠近焊縫70～130 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)3條沿著圓周方向的裂紋，最長(zhǎng)的裂紋約 15 mm，最小的裂紋約3～4 mm，其它位置沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋如圖4所示。

圖4 管道表面裂紋產(chǎn)生的位置

管道內(nèi)部進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處圓周方向的裂紋，最長(zhǎng)的裂紋有 40 mm，最短的裂紋有 5 mm，裂紋產(chǎn)生有一定的規(guī)律性，基本都是在同一個(gè)方向，而其它位置沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，從裂紋的發(fā)展規(guī)律及尺寸看，裂紋是由內(nèi)往外擴(kuò)展的，如圖5所示。

圖5 管道內(nèi)表面裂紋產(chǎn)生的位置

1.3 管道內(nèi)壁沖刷情況

管道內(nèi)壁檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有明顯的沖刷痕跡，在管道的圓周方向上能清楚的看出內(nèi)壁有高低不平及溝槽現(xiàn)象,如圖6所示。

圖6 管道內(nèi)表面沖刷痕跡

管道內(nèi)表面從第一道焊縫開始往南側(cè)(現(xiàn)場(chǎng)安裝方向)1500 mm 范圍內(nèi)有沖刷的痕跡，其它位置無(wú)沖刷跡象。

2 蒸氧管道產(chǎn)生裂紋原因分析

蒸氧管道內(nèi)外表面經(jīng)滲透檢測(cè)[4]，外表面有三處裂紋，但是內(nèi)表面裂紋較多，大部分還沒(méi)有裂穿，裂紋產(chǎn)生有一定的規(guī)律性，基本都在同一個(gè)方向，從裂紋的尺寸觀察，裂紋是從內(nèi)表面開裂，長(zhǎng)時(shí)間在應(yīng)力作用下，延伸至外表面，而管道內(nèi)壁減薄的位置沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。

從加熱爐F04301上部蒸氧管道外觀顏色看，靠近三通側(cè)的管道表面顏色較深，說(shuō)明此處溫度變化較劇烈。通過(guò)與工藝溝通，設(shè)備剛開始投用時(shí)此管線溫度最高能達(dá)到 650 ℃，正常運(yùn)行時(shí) 300 ℃，溫度變化較大，應(yīng)力較大。冬季為了防凍在設(shè)備運(yùn)行時(shí)氧氣管道有微小的開度，此根管線是氧氣、蒸汽及蒸氧3種介質(zhì)混合在一起，溫度各不相同(氧氣設(shè)計(jì)溫度 80 ℃、蒸汽溫度約 450 ℃、蒸氧溫度約 300 ℃)，介質(zhì)分壓也不相同，混合后產(chǎn)生冷凝液。從管道外表面看，介質(zhì)經(jīng)過(guò)1400～1700 mm 混合后，溫度高于冷凝液露點(diǎn)溫度，沒(méi)有冷凝液產(chǎn)生，管道剩余部分表面明顯沒(méi)有出現(xiàn)顏色較大的變化，管道內(nèi)壁也沒(méi)有介質(zhì)沖刷的痕跡。

管道內(nèi)壁出現(xiàn)減薄，并且有整圈的沖刷痕跡，主要是管道內(nèi)三種介質(zhì)溫度混合不均，分壓不同，產(chǎn)生了冷凝液，在高溫下氣液混合對(duì)不銹鋼管道沖刷腐蝕嚴(yán)重，能明顯看出管道內(nèi)壁的沖刷溝槽，此處也易造成應(yīng)力集中，在介質(zhì)混合均勻后溫度高于冷凝液露點(diǎn)溫度，就不會(huì)有冷凝液產(chǎn)生，這也是為什么沖刷的痕跡在 1500 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)的原因。

無(wú)論從管道外觀顏色看還是管道內(nèi)表面的沖刷痕跡分析，都能確定管道內(nèi)表面減薄的原因是由于三種介質(zhì)混合不均產(chǎn)生冷凝液造成的。

靠近三通側(cè)管道內(nèi)表面 300 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的裂紋，產(chǎn)生裂紋位置在管道的西側(cè)，而減薄的位置在管道的東偏下側(cè)(以管道南北中軸線為參考)，而減薄側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋。從管道現(xiàn)場(chǎng)安裝的走向及受力情況分析，該位置溫度變化較大，加熱爐下部的輻射段盤管受熱膨脹，產(chǎn)生較大的應(yīng)力， 進(jìn)氣集合管受到一個(gè)向外的推力，傳到產(chǎn)生裂紋的管道上時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)往外的拉力，管道內(nèi)壁由于沖刷嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的溝槽，在外力長(zhǎng)時(shí)間作用下，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。管道內(nèi)壁沖刷嚴(yán)重的地方受到的是壓應(yīng)力，而壁厚相對(duì)沒(méi)有變化產(chǎn)生裂紋的地方受到的是拉應(yīng)力，這也是為什么厚壁的地方產(chǎn)生裂紋，而相對(duì)減薄的位置沒(méi)有產(chǎn)生裂紋的原因。

產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于管道內(nèi)壁沖刷嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的溝槽，應(yīng)力集中，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

3 解決方法及注意事項(xiàng)

1)針對(duì)蒸氧管道產(chǎn)生裂紋情況，已與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，在不影響工藝正常運(yùn)行情況下準(zhǔn)備把加熱爐上部出氣管道上的氧氣管道取消，原來(lái)的蒸氣、氧氣、蒸氧三種介質(zhì)混合改為只有蒸汽、蒸氧兩種介質(zhì)混合，混合后的溫度定會(huì)高于冷凝液的露點(diǎn)溫度，可以解決管道內(nèi)產(chǎn)生冷凝液?jiǎn)栴}，同時(shí)也就解決了管道產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題。

2)在大修時(shí)可以在加熱爐盤管的集合管上安裝一個(gè)膨脹計(jì)，監(jiān)測(cè)盤管的變形量。

3)加熱爐上部蒸氧管道產(chǎn)生裂紋，讓我們對(duì)設(shè)備使用情況進(jìn)行思索，舉一反三，在大修時(shí)檢查加熱爐F04301盤管進(jìn)出口管道與集合管之間的焊縫情況及彎頭壁厚是否減薄；檢查加熱爐內(nèi)熱輻射段的盤管硬度、材質(zhì)、壁厚、焊縫情況；檢查與加熱爐集合管連接的管道外表面顏色變化情況。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通，從裂紋產(chǎn)生的規(guī)律及內(nèi)壁沖刷的情況分析，產(chǎn)生裂紋的主要原因就是由于蒸氧管道投用時(shí)此管線溫度最高能達(dá)到 650 ℃，正常運(yùn)行時(shí) 300 ℃，有蒸汽、氧氣和蒸氧(氧氣設(shè)計(jì)溫度 80 ℃、蒸汽溫度約 450 ℃、蒸氧溫度約 300 ℃)三種介質(zhì)混合，介質(zhì)溫度不同，分壓不同，混合時(shí)有冷凝液產(chǎn)生， 內(nèi)壁沖涮嚴(yán)重，應(yīng)力集中易產(chǎn)生裂紋。設(shè)計(jì)人員已同意將加熱爐上部出氣位置的氧氣管道取消，防止管道內(nèi)產(chǎn)生冷凝液，解決產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題。