制氢转化炉转化段集合管加强短接头开裂分析

郭杰

摘要：2020年3月制氢炉转化段预热器加强短接头因设计问题导致应力开裂，被迫紧急停工。针对设计缺陷，进行了修改，将加强短接头接管取消，加强短接头与对流管直接进行焊接，避免倒角造成应力集中，将转化段预热器整体更换。

关键词：制氢转化炉、应力开裂、倒角

引言

转化炉是制氢装置中转化反应的反应器，属于装置的核心设备。这是一种非常特殊的外热式列管反应器，由于转化反应的强吸热及高温等特点，这种反应器被设计成加热炉的形式吗，催化剂装填在一根根炉管内，在炉膛内直接加热，烃类和水蒸气通过炉管呃逆的催化剂床层进行反应。由于工艺介质（烃+水蒸气）在炉管内一边吸热，一边进行着复杂的化学反应，因此其工艺计算比一般加热炉复杂得多。转化预热段主要是对精制后的原料气加热后进入预转化反应器进行下一步反应，转化段操作温度520℃左右。 本装置转化炉采用是顶烧炉，这种炉型的燃烧器布置在辐射室顶部，转化管受热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室，对流室布置在辐射室旁边。

1问题

2020年3月设备点检人员例行巡检时，发现制氢炉对流室转化段预热器有火焰射出（图2、），立即通知当班运行人员及作业部管理人员。按照应急预案相应，装置开始降量、降温、降压、停工。

停工后對现场进行勘察，开裂泄漏位于转化段集合管分支加强短接头接管对焊口上部倒角线处（图4），开裂以倒角加工线横向延展裂口平整，典型的倒角应力集中开裂，开裂长度达到6cm，占加强短接头周长的近1/4。

2隐患

预转化段预热段与烟气换热后温度高达560℃，接管一旦断裂大量可燃气体物料泄漏，形成喷射型火焰，不完全燃烧气体在转化炉顶部形成爆炸性混合气体，发生不可控制的爆炸、火灾。

3集合管参数

转化原料气中主要含有H2O、H2、CO、CO2、 CH4、N2等。原料预热段的操作压力为2.65 MPa， 设计压力为3.25 MPa，操作温度为560℃～610℃。转化段集合管设计温度为630℃材质为TP347H，强接头的材质为F347H（表1），加强短接头锻件经过固熔处理，接头与集合管焊接后进行了整体稳定化热处理。

4检测情况

经计算，当无应力情况时，加强短接头处最大应力位于内部，应力值约为25.2MPa。此次开裂最大应力位于加强短接头倒角处，应力值约为90.3MPa。由表2可知，开裂加强短接头处最大应力高于600℃下材料的许用应力，由此可见，炉管受热膨胀后应力集中与倒角处使得管壁外应力大于材料的许用应力，导致炉管开裂。

由上图可知，炉管在开裂过程中，管内高温原料气（温度在600℃～630℃）泄露发生燃烧，高温燃烧对裂缝附近区域母材金相组织产生影响，导致晶粒粗大，碳析出，晶界弱化。

5施工修复

该制氢炉转化段于2011年10月发生过加氢短接头开裂，导致制氢装置紧急停工抢修，由于第一次开裂原因分析不完全，对开裂部位接头进行了焊接并投用，未能分析辨识出存在的应力问题，未能消除所存在的风险隐患。 2020年3月因设计问题导致应力集中，加强短接头再次发生接管应力开裂被迫紧急停工。针对设计缺陷，进行了修改，将加强短接头接管取消，加强短接头与对流管直接进行焊接，避免倒角造成应力集中，此次检修转化段预热器整体更换。

结束语

通过两次开裂分析，针对设计缺陷，进行了修改，将加强短接头接管取消，避免倒角造成热影响应力集中开裂，对连接部位进行改造，避免高温临氢管线开裂泄露。

参考文献：

[1]石油化工设备技术，2011，11，5

[2]《机械设计》（第四版）

[3]GB150.1-150.4-2011，压力容器[s]