陳鳳壯

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油化學(xué)股份有限公司海南基地（簡稱海南基地）化肥一部30萬t/a合成氨裝置，采用AMVICI工藝，設(shè)有一段爐及二段爐負(fù)責(zé)天然氣、蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中主要反應(yīng)在一段爐內(nèi)進(jìn)行。一段爐為托普索側(cè)燒爐，高度35.6m，由上至下分為對流段和輻射段兩段。一段爐主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)：出口殘余甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為17.51%，工藝氣出口溫度749℃，輻射段出口煙氣溫度924℃，對流段出口煙氣溫度158℃。

輻射段分為南北兩個爐膛，共108根轉(zhuǎn)化爐管，216個燒嘴呈5排分布，采用燃料氣和回收廢氣兩股氣源混合燃燒，火焰噴向爐墻，向爐管輻射傳熱。南北兩個爐膛共用一個對流段，主要回收輻射段煙氣熱量。根據(jù)介質(zhì)及工藝設(shè)計(jì)要求，對流段設(shè)有六組盤管，自下而上分別為天然氣與蒸汽混合預(yù)熱盤管（簡稱混合氣盤管）、蒸汽預(yù)熱盤管、工藝空氣預(yù)熱盤管、原料天然氣預(yù)熱盤管、鍋爐給水預(yù)熱盤管及燃料天然氣預(yù)熱盤管。

如圖1所示，混合氣盤管共分為上下兩組：上組盤管有8排，其中上3排為翅片管，下5排為光管；下組盤管有6排均為光管。每排盤管有9根，自北向南分別命為1#至9#?；旌蠚庥缮辖M盤管上集氣管進(jìn)入，與煙氣逆流接觸換熱至500℃后，由下集氣管進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐，反應(yīng)后溫度降低至450℃，再由下組盤管下集氣管進(jìn)入，與煙氣順流換熱至580℃后，再上集氣管經(jīng)分布管、上豬尾管進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

2016年12月與2017年2月，混合氣盤管下管組9#管曾兩次出現(xiàn)爆管，均由工藝人員巡檢發(fā)現(xiàn)，并采取了緊急停車處理，避免事故擴(kuò)大。

圖1 混合氣盤管布置示意圖

1 改造歷史

1.1 改造原因

2009年底裝置大修中對轉(zhuǎn)化爐對流段混合氣盤管進(jìn)行針對性檢查，發(fā)現(xiàn)該組盤管外表面高溫氧化嚴(yán)重，金相檢查發(fā)現(xiàn)材料組織由原來的片層狀變?yōu)闈B碳顆粒狀，呈現(xiàn)惡化趨勢（圖2）。

圖2 2009年混合氣盤管金相檢查圖

委托專業(yè)公司對混合氣盤管的進(jìn)行強(qiáng)度核算，結(jié)果顯示除下管組第1排盤管 （編號自下而上）強(qiáng)度符合10×104h壽命要求外，其他13排盤管均不能滿足10×104h使用壽命。由于1996年投產(chǎn)以來混合氣介質(zhì)出口溫度大多在600℃以上，所以這13組盤管已經(jīng)接近使用壽命，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 混合氣盤管強(qiáng)度核算結(jié)果

1.2 改造情況

從金相檢測及強(qiáng)度核算結(jié)果來看，混合氣盤管存在泄漏隱患，為保障裝置安全，海南基地決定全部更換一段爐混合氣盤管及相關(guān)彎頭、集氣管、分布管。更換主要有以下四個方案：

方案一：保持原設(shè)計(jì)盤管規(guī)格、材料不變。該方案嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)參數(shù)，但由于國外設(shè)計(jì)嚴(yán)苛，每排管的材質(zhì)和壁厚均不相同，給備料、施工、焊接帶來了很大麻煩，核算結(jié)果也顯示原設(shè)計(jì)盤管的壽命不能滿足10×104h要求；

方案二：盤管壁厚統(tǒng)一，材質(zhì)升級。下管組的6排盤管統(tǒng)一升級材質(zhì)為B107NO.8810，盤管規(guī)格為141.3mm×9.2mm，上管組8排盤管統(tǒng)一升級材質(zhì)為SA271TP321H，盤管規(guī)格為 141.3mm×7.6mm，此方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠，備料方便。

方案三：壁厚不變，材質(zhì)升級。下管組2～6排盤管材質(zhì)由A271TP321H升級為與第1排盤管一樣的材質(zhì)B407NO.8810，上組盤管8排全部由A213T22升級為A271TP321H，此方案能保持管內(nèi)流體力學(xué)特性。

方案四：壁厚不變，僅上管組材質(zhì)由SA213TP22升級為A271TP321H，此方案并不能滿足10×104h使用壽命要求。

通過對比和綜合考慮，最終選擇了方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在2012年3月及2016年3月大修中進(jìn)行升級改造。2012年3月全部更換了混合氣盤管（含彎頭）共計(jì)14排，并更換上管組上、下集氣管及下管組下集氣管，改造后所有盤管運(yùn)行均沒有出現(xiàn)泄漏。2016年3月更換了混合氣盤管下管組上集氣管、分布管和交叉管線。

表2 2012年混合氣盤管升級改造前后對比

2 爆管現(xiàn)象出現(xiàn)

第一次爆管：2016年12月20日10:00工藝人員巡檢發(fā)現(xiàn)一段爐對流段混合氣盤管處有異常響聲，經(jīng)仔細(xì)查找確認(rèn)為對流段混合氣原盤管出口集氣管偏南部位泄漏，系統(tǒng)停車檢修，停工時間5天。拆除盤管保溫后發(fā)現(xiàn)是9#管與下管組上集氣管的焊縫靠母材一端開裂泄漏，裂紋長度約140mm，見圖3。

圖3 2016年12月下管組第6排9#盤管與上集氣管焊縫泄漏

第二次爆管：2017年2月12日07:15時工藝人員巡檢時發(fā)現(xiàn)一段爐混合氣盤管出口集氣管處有異常聲音，用測爆儀檢測可燃?xì)怏w超標(biāo)報警，最終確認(rèn)混合氣盤管9#管再次泄漏，系統(tǒng)緊急停車檢修，停工時間6.6天。

圖4 2017年2月下管組第6排9#盤管與上集氣管焊縫泄漏

3 爆管原因分析

3.1 第一次爆管分析

從外觀上看，該裂紋位于焊縫的熱影響區(qū)靠近管側(cè)約2mm處，裂紋部位母材材質(zhì)為B470 NO.8810，規(guī)格為141.3mm×6.8mm，管座材質(zhì)為高溫不銹鋼A182F321H，焊縫熔敷金屬采用ER NiCr-3焊絲，有關(guān)材質(zhì)成分見表3。

表3 9#盤管材質(zhì)成分表

2016年12月21日安排光譜復(fù)查，結(jié)果表明盤管材質(zhì)與800H相符，集合管材質(zhì)與321H相符，焊縫材質(zhì)與ERNiCr-3相符，故判斷泄漏點(diǎn)處的9#管材質(zhì)沒有問題，焊接選材正確，排除了材質(zhì)誤用的可能性。

委托專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對盤管對于9#管（裂紋管）和5#管（對比管）做了母材和焊縫做了硬度和金相檢測。硬度檢測均達(dá)到要求，金相檢測顯示9#管焊縫、融合線、母材為奧氏體加少量碳化物，未發(fā)現(xiàn)母材組織異?，F(xiàn)象。此外對2016盤管與集合管連接處的全部9道焊縫做了100%PT和100%伽馬源RT，均為發(fā)現(xiàn)異常。

經(jīng)過施工過程調(diào)查和現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生裂紋的9#管存在較大應(yīng)力。應(yīng)力產(chǎn)生的可能原因是：(1)2016年3月9#管焊接組隊(duì)過程中存在錯口，使用葫蘆組隊(duì)；(2)9#管與管箱支撐板間隙較小，導(dǎo)致盤管受熱（＞580℃）后自由膨脹受限，應(yīng)力釋放不足（圖5）；(3)該盤管存在5次焊接現(xiàn)象，主要是2012年更換盤管時焊接一次，2016年更換集合管時焊接及焊接過程中出現(xiàn)因組對錯邊、氣孔超標(biāo)原因?qū)е碌姆倒ざa(chǎn)生的焊接。

當(dāng)時由于沒有備件，加上春節(jié)將至等客觀因素，經(jīng)過打磨、補(bǔ)焊、檢測合格后迅速恢復(fù)開車。焊接施工過程中多次焊接，組隊(duì)后存在較大應(yīng)力，為第二次爆管埋下隱患。

圖5 第一次爆管前后9#管與管箱支撐板間隙及處理

3.2 第二次爆管分析

第二次爆管時庫存?zhèn)浼训?，按原材質(zhì)規(guī)格更換了一段長度為320mm的盤管，同時切割下管段委托中國特檢院做失效分析。分析主要從宏觀檢查、操作與設(shè)計(jì)、材料與供貨、焊接與安裝四個方面進(jìn)行。

3.2.1 宏觀檢查

通過宏觀觀察發(fā)現(xiàn)裂紋位于焊接接頭區(qū)域盤管一側(cè)的熱影響區(qū)，與熔合線基本平行，無明顯分支。裂紋處仍可明顯看出上次開裂泄漏處理時留下的補(bǔ)焊焊縫，管段外壁及內(nèi)表面均無明顯的局部腐蝕或減薄，亦無明顯的機(jī)械劃傷等痕跡。

3.2.2 操作與設(shè)計(jì)原因

1）操作原因排查。檢查爆管前一段爐運(yùn)行工藝數(shù)據(jù)：系統(tǒng)負(fù)荷95%，混合氣盤管入口溫度＜560℃，入口壓力3.88～3.915MPaG，出口溫度734～740℃，主要參數(shù)均正常范圍內(nèi)，排除了當(dāng)時超溫超壓超負(fù)荷運(yùn)行的可能。

2）設(shè)計(jì)原因排查。材料化學(xué)成分分析顯示母材化學(xué)成分基本與質(zhì)量證明書相一致，基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對該材料化學(xué)成分要求。采用超聲波測厚儀測定盤管的壁厚，對應(yīng)原始設(shè)計(jì)壁厚無明顯的減薄，排除選材和規(guī)格方面的原因。

3.2.3 材料與供貨原因

1）電鏡觀察和能譜分析。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口表面呈現(xiàn)為典型的“冰糖塊”狀花樣，這是典型的沿晶開裂特征。對斷口表面產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，可見產(chǎn)物中富含Cr和Ni元素，為材料本身所含的元素。

2）材料力學(xué)性能分析。常溫下盤管材料的延伸率略低于標(biāo)準(zhǔn)的要求，這可能是材料在使用的過程中發(fā)生了脆化，會導(dǎo)致強(qiáng)度升高而塑性降低，但根據(jù)沖擊試驗(yàn)的結(jié)果證明母材仍有較好的沖擊韌性。材料加熱至正常操作溫度（580℃）后，盤管材料的強(qiáng)度升高而塑性降低。

3）硬度測試。硬度值測試結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換后與常溫抗拉強(qiáng)度值基本一致，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均無對硬度值的要求，故無法進(jìn)行結(jié)果比對。

3.2.4 焊接與安裝原因

1）金相分析。母材分析基體組織為奧氏體，晶粒度約為5級，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，排除母材問題。焊縫處分別選取了A點(diǎn)（9點(diǎn)鐘方向）和B點(diǎn)（11點(diǎn)鐘方向）做分析，見圖6（左圖為取樣示意圖，右圖為A點(diǎn)放大圖）。

圖6 焊縫取樣與局部放大示意圖

圖7 裂紋局部金相組織A點(diǎn)（左）和B點(diǎn)（右）

A點(diǎn)金相組織如圖7（左）所示：緊靠補(bǔ)焊焊接接頭，可以看出A-Ⅰ裂紋從內(nèi)表面緊靠焊縫的熱影響區(qū)開始起裂，沿穿透壁厚的方向一直向外表面擴(kuò)展，進(jìn)入焊縫一小段距離后停止，該裂紋平直，分支極少，在部分位置可以看到沿晶開裂特征，沿晶特征非常明顯；A-Ⅱ裂紋從外表面靠近補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)開始起裂，然后沿著補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)沿晶擴(kuò)展，分支也極少，最終與前一條裂紋連接在一起。兩條裂紋串接起來，就貫穿了盤管壁厚。

B點(diǎn)金相組織如圖7（右）所示：B-Ⅰ號裂紋，從盤管內(nèi)側(cè)起裂，擴(kuò)展到補(bǔ)焊焊縫受阻后，方向發(fā)生改變，緊沿著熔合線的盤管母材一側(cè)向前擴(kuò)展，但未穿透壁厚；B-Ⅱ號裂紋，外寬內(nèi)窄，從外表面起裂并向內(nèi)表面擴(kuò)展，已穿透壁厚。

2）應(yīng)力分析。根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)測數(shù)據(jù)，建立應(yīng)力分析模型，可見位移偏移量與應(yīng)力對盤管使用壽命影響巨大。隨著位移偏移量增加，爐管在高溫下的持久壽命迅速下降，見圖8。

圖8 位移偏移量與應(yīng)力對壽命的影響

2017年2月管段截取的過程中，發(fā)現(xiàn)離焊接接頭300mm處的盤管切口位置 “錯口”偏移量達(dá)約3mm，見圖9。這將在焊接接頭處引起較大的彎曲應(yīng)力，雖然實(shí)際由于集合管和盤管之間的變形協(xié)調(diào)作用，其應(yīng)力值會比理論計(jì)算值要低，但圖8顯示，即使 “錯口”偏移量為1.0mm時，按正常操作溫度580℃下爐管剩余壽命已僅約為2136h，影響仍非常顯著。

圖9 9#盤管割管時產(chǎn)生的錯邊

4 分析結(jié)論與處理措施

4.1 分析結(jié)論

一段轉(zhuǎn)化爐混合氣盤管焊縫失效機(jī)理為蠕變—應(yīng)力開裂。裂紋呈現(xiàn)典型的沿晶特征，存在兩種“起裂—擴(kuò)展”形式，分別是焊接接頭內(nèi)表面熱影響區(qū)處起裂并向外壁擴(kuò)展的裂紋，即A-Ⅰ和B-Ⅰ號裂紋，以及從焊接接頭外表面熱影響區(qū)及鄰近部位起裂并向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，即A-Ⅱ和B-Ⅱ號裂紋。

這兩種裂紋均與局部高應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。多次焊接（包括補(bǔ)焊）的殘余應(yīng)力，局部拘束狀態(tài)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以及內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力都有影響，使焊接接頭在高溫下出現(xiàn)快速的蠕變—應(yīng)力開裂，最終造成9#盤管泄漏。

4.2 處理措施

避免強(qiáng)行組隊(duì)，采用“自然偏折角”方式修復(fù)。2017年2月在割口處理后，更換的一截新盤管已按照自然偏折角度的方法來修復(fù)，雖然仍會在熱脹冷縮的過程中因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生局部應(yīng)力，但其值會比強(qiáng)力組對小很多。該方法修復(fù)后9#盤管已經(jīng)在管箱支撐板的預(yù)留開孔中自行“對中”，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅下降，可顯著提高焊接接頭處的使用壽命。使用至2017年7月底計(jì)劃停車后，對焊接接頭部位進(jìn)行的射線檢測和表面滲透檢測再未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

5 結(jié)束語

中?；瘜W(xué)海南基地化肥一部通過兩次升級改造基本消除了混合氣盤管的潛在缺陷，但由于對組隊(duì)焊接工藝和應(yīng)力影響認(rèn)識不足，導(dǎo)致出現(xiàn)第一次爆管。在沒有備件和時間緊促的情況下恢復(fù)系統(tǒng)生產(chǎn)，雖有所意識并采取了一些積極的處理措施，但未徹底弄清楚導(dǎo)致混合氣盤管開裂的原因，運(yùn)行49天后再次發(fā)生爆管。在找到原因并采取了更為有效的處理措施后，第二次處理后9#盤管累計(jì)運(yùn)行超過9個月，狀態(tài)良好。

實(shí)際上，任何環(huán)節(jié)、任何細(xì)微的因素都有可能影響組對和焊接質(zhì)量，因此工藝操作、設(shè)計(jì)、材料供貨、制造、安裝、焊接工藝等每一步都非常關(guān)鍵。鑒于此，我們對于高溫高壓，設(shè)計(jì)有10萬小時壽命的設(shè)備，將定期進(jìn)行射線、金相、無損等檢測，發(fā)現(xiàn)問題后及時安排更換處理。本文分析混合氣盤管兩次開裂原因，并將改造和處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分享，希望能對后來者提供借鑒意義。