换转炉猪尾管泄漏原因分析及改进

刘巧玲

作者通联：华电榆林天然气化工有限责任公司机动处 陕西榆林市上郡南路4号 719000

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换转炉是甲醇装置生产中的重要设备（图1），设备集换热与反应为一体，共有转化管128根，分为东炉、西炉，东西炉中间设备为二段转化炉，东西炉结构一样，各有64根转化管（共四排，每排16根）。转化管为套管式结构，内管装有触媒，反应为吸热反应（N1为进口，N2为出口），外管走热气体与内管换热（N3为进口，N4为出口），N3 猪尾管是该设备温度最高的部件，管两端分别与转化管下部及集气管焊接。

图1 换热炉设备

前系统来的480℃天蒸混合气体进入N1 集气管（共4根），通过N1 猪尾管进转化管内管加热反应，反应并加热后的700℃转化气通过N2 猪尾管进N2 集气管（共4根）汇总后进入二段转化炉，在二段转化炉内反应后的900℃高温气体通过高温输气管进入N3 集气管，再通过N3 猪尾管进入转化管外管，经换热降温为560℃后从N4 猪尾管进N4 集气管（共4根）汇总进入后系统。

一、换转炉运行情况

甲醇装置换转炉N3 猪尾管（保温层外缠玻璃丝布），见图2，因运行温度高、压力大等苛刻的操作条件，从2006年5月开始便频繁出现不同部位的泄漏，进行减负荷微正压补焊处理后维持运行。2007年5月对256根N3 猪尾管全部重新更换，2008年3月因装置断电，N3 猪尾管焊缝出现了一处裂纹，以后运行时N3 猪尾管总计出现裂纹29 处并泄漏，裂纹分布在猪尾管母材处（图3），也有分布在与集气管及转化管焊缝焊接影响区的（图4），长的裂纹100mm，短裂纹有10mm。

图2 换转炉N3 猪尾管

二、金属材料高温蠕变概念和典型蠕变曲线

图3 N3 猪尾管母材裂纹泄漏

大多数化工容器及受压元件是在高于室温条件下工作，金属材料的强度随温度而发生变化。对所谓高温压力容器要区别两种不同的情况，一是工作温度在容器材料的蠕变温度以下，在弹性力学范围进行设计，设计时是以该材料在工作温度下的机械强度为准则，按通常的安全系数选取许用应力。二是工作温度在容器材料的蠕变温度以上，此时必须考虑材料的蠕变特性，在断裂力学范围进行设计，按照设备的设计寿命来确定许用应力。

蠕变温度是指材料开始呈现蠕变现象的温度。对各种不同材料蠕变温度是不同的，一般金属材料的蠕变温度Tc大体上为：碳钢Tc≈425℃，低合金钢Tc≈500℃，耐热合金钢Tc≈590℃。

当金属材料在高于蠕变温度的环境工作时，会产生现两种现象，即蠕变变形与蠕变断裂。以下把“高于蠕变起始温度”简称为“高温”。

1.蠕变变形

图4 N3 猪尾管焊缝热影响区裂纹泄漏

金属材料在高温与应力共同作用下，会产生缓慢不可恢复的变形，称为蠕变变形。在恒定温度与恒定应力作用下，金属材料的蠕变发展过程见图5 所示，由图5 可见，蠕变变形有三个阶段，第一阶段（t1）为降速阶段，第二阶段（t2）为恒速阶段，第三阶段（t3）为加速阶段，到点d 发生断裂。在恒定温度与不同应力下测试时，发现应力越大，应变越大，即应变速率越大，试样运行时间越短。

图5 典型蠕变曲线

2.蠕变断裂

在高温和应力长时间作用下，金属材料到一定时间就会断裂。蠕变断裂寿命tR随应力的降低而延长。一般情况下高温管的断裂主要有常规的蠕变断裂、热冲击形成破裂和缺陷引起的断裂。在高温和恒应力作用下，材料不断塑性变形的现象，是内外管壁温差所引起的热应力(随时间的推移将会发生松弛)与内压引起的蠕变稳态应力（恒定应力）联合作用的结果。通常情况下，蠕变开裂是导致猪尾管材料失效的主要原因，而高温是产生蠕变的直接原因，一般以蠕变第二阶段蠕变稳定期结束作为运行寿命终止期限。当猪尾管的工作温度变化速度十分快、变化幅度较大时，形成的热应力若超过材料的断裂强度，易产生热冲击破坏。材料上若存在微裂纹或气孔等缺陷，在高温下就可能会产生裂纹。

三、N3 猪尾管泄漏原因分析

1.N3 猪尾管壁厚是否达到要求

猪尾管材料为Incoloy800H，在900℃条件下工作，因此应在断裂力学范围计算壁厚，壁厚计算公式见式1。

式中 PD——断裂设计压力，MPa

D0——管外径，mm

δD——断裂应力壁厚，mm

Φ——焊缝系数，Φ≤1

[σ]Dt——设计温度下材料的断裂许用应力，MPa。

上式中 [σ]Dt为Incoloy800H 材料在设计寿命100000h，950℃时的许用应力，选取时先用Lason Miller 公式2 求P。

式中 P——Lason Miller 指数

T——设计温度，K

t——设计寿命，h

P=（950＋273）×（20＋lg100000）×10－3＝30.575，按此常数由Lason Miller 曲线查得[σ]Dt为7.2MPa，将设计数据PD＝3.15MPa，D0=32mm，Φ=1 以及[σ]Dt＝7.2MPa 代入公式1，求出断裂应力壁厚。

因这种猪尾管的材料特殊,一般要求供货商直接取正偏差,因此不考虑负偏差，最终向上圆整后名义厚度取δn=6mm。因此，猪尾管的壁厚取δn=5mm 不能达到正常设计寿命的要求，猪尾管母材出现裂纹泄漏，壁厚偏薄可能是一个因素。

2.开停车过程中产生的热应力问题

（1）装置紧急停车。由于突然断电或其他原因装置紧急停车会引起高温装置迅速降温，一方面猪尾管本身在材料断面造成很大的温度梯度，引起金属内部产生很大的温差应力。另一方面转化管因停车时温度迅速降低，向上进行膨胀收缩110mm（实际测量）左右，N3 集气管向中间收缩70mm 左右（实际测量），这些膨胀量全部靠猪尾管的变形来吸收，若猪尾管不能很快靠变形来释放产生的热应力，猪尾管内部就会产生很大的应力，若超过设计寿命下同温度时的许用应力，则会减少猪尾管的使用寿命，材料上若存在裂纹或气孔等微观缺陷则会引起断裂，产生宏观裂纹。

（2）装置正常开停车。装置因检修或其他原因停车时，因转化管与集气管的膨胀量较大，且全部靠猪尾管吸收，因此在猪尾管内部会比正常操作时产生额外的热应力，引起猪尾管寿命降低。

3.换炉猪尾管材料问题

N3 猪尾管的材料为Incoloy800H，尺寸为Φ32mm×5mm，共256根，对其同批次的2根备件及拆除后的旧猪尾管进行光谱分析，测出其化学成分（表1）与标准规定的Incoloy800H 材料的化学成分（表2）相比，可看出这批猪尾管材料碳含量偏低，其他化学成分符合要求。材料的强度与含碳量有直接关系，含碳量越高，则强度越大，反之、则强度越小，因此含碳量偏低也是引起裂纹产生的一个因素。

4.N3 猪尾管结构问题

因N3 集气管用限位架进行固定，仅留10mm的间隙，所以在开停车过程中转化管向下约110mm（实际测量）和N3 集气管轴向约70mm（实际测量）的膨胀量，基本全部由N3 猪尾管吸收，因此猪尾管的结构设计很重要。由焊缝泄漏部位来看，17 处焊缝有13 处泄漏都是问号形猪尾管与转化管焊缝连接处的泄漏，且全部是在焊缝上部泄漏，门框形为4 处，因此问号形猪尾管的结构需要改进。

表1 N3 猪尾管备件及旧管的化学成分

表2 标准规定INCOLOY800H的化学成分

5.猪尾管疲劳

疲劳是设备在长期交变应力作用下常见的一种失效形式。化工容器的交变载荷来自压力的波动、开停车的压力交替，温度的交变形成温差应力的交变。另一方面容器结构上存在局部结构不连续因而引起应力集中，尤其当形成局部塑性区时，该区域往往是萌生疲劳裂纹和引起容器疲劳破坏的源区。

由于换转炉转化管、集气管在开停车过程中的膨胀收缩，使猪尾管在局部塑性区内存在高应变，在交变载荷下局部将发生交变的塑性变形。猪尾管与转化管、集气管的连接处为结构不连续，开停车及操作过程中压力和温度的波动会产生较大的应力集中或应变波动。因而猪尾管局部会形成产生疲劳破坏的裂纹源，在高温、应力共同作用下猪尾管的裂纹源会进一步扩展形成宏观裂纹。

6.弯头处母材泄漏原因

猪尾管有12 处母材的泄漏，有10 处在弯头处，从4个方面进行原因分析，一是弯头在成型时壁厚减薄，此处材料承受应力较大，运行寿命短；二是弯头冷弯成型后，未进行热处理，晶粒大小存在不均匀，对此处的材料性能有影响；三是弯头处有气流冲刷，根据现工况计算N3 猪尾管的气体流速为41.6m/s，工艺上运行时触媒也会产生极少量粉尘，对弯头外部内壁造成冲刷腐蚀，使此处壁厚减薄，成为易开裂的薄弱位置；四是弯头在成型过程中，材料表面产生肉眼不可见的微划痕，内部有可能产生一些微缺陷，在高温、应力及长时间作用下，此处成为裂纹源。

四、应对措施及改进方案

1.应对措施

因制作N3 猪尾管的材料Incoloy800H 特殊，订货周期约需半年，而猪尾管泄漏时，并无备件可换，因此对漏点首先进行修补处理。装置负荷由2.8MPa 降至约0.3MPa、温度由890℃降至约500℃，用进口ENiCrFe3 焊条直接进行带压补焊处理。其次，工艺上在不影响生产的情况下，降低N3 猪尾管处的工艺气温度。因为温度越低应力越小，蠕变断裂寿命越长，装置在相同操作条件下运行时，降低操作温度可延缓猪尾管的开裂。尤其是在管理上进行特护运行，制定特护方案，加强巡检，对泄漏补焊部位进行重点监测。确保换转炉能够安全可靠地维持运行。

2.猪尾管改进及效果

考虑到甲醇装置的长周期安全稳定运行，对换转炉的256根N3 猪尾管，在2009年9月全部更换处理，同时对猪尾管从以下几个方面进行改进。

（1）材料来源方面。对准备更换的N3 猪尾管的材料，仍使用Incoloy800H，但采用进口瑞典山特维克公司的产品。

（2）猪尾管的壁厚改变。将猪尾管规格由Φ32mm×5mm 改为Φ32mm×6mm。

（3）猪尾管结构改进。委托设计院对问号管形猪尾管的结构进行重新设计。加长猪尾管的长度，以吸收开停车过程中转化管及N3 集气管的膨胀量。

（4）对猪尾管增加弹簧支撑。猪尾管在装置正常运行时，由于长度较长，猪尾管在高温、应力及自重的作用下，会产生逐渐下垂的蠕变变形，对与转化管及集气管连接处的焊缝会产生应力，尤其是开停车过程中。因此经过核算，在猪尾管下部增加弹簧支撑，支撑猪尾管的自重，缓和焊缝处的应力。

2009年9月更换后，到目前为止，该设备运行稳定，未再产生泄漏。