论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了一段炉转化管的设备概况，分析转化管不同部位产生裂纹的原因及机理。
【关键词】转化管 晶界 焊接接头 裂纹 应力 烧嘴
1 一段炉设备情况
自贡鸿化公司合成氨厂新系统一段炉是用于以天然气为主要原料，进行加压、水蒸汽转化，生产合成氨的关键设备。一段炉工艺气设计入口温度510℃，出口温度800℃，设计工艺负荷为8200m3/h天然气，正常时炉膛负压控制在—100Pa左右。
一段炉由箱式炉体和对流段两部分组成。一段转化炉属于顶烧炉，45个烧嘴分5排均布于炉顶。一段炉转化管采用HK—40，管径规格φ124×11mm，长12172mm，有效加热长度9372mm，材质为ZG4Cr25Ni20，装填镍系转化催化剂，共80根。转化管在炉顶4排并列安装，炉顶烧嘴产生的热量通过辐射方式传给转化管。烧嘴的燃烧气由两部分组成，一种是天然气，一种是来自回收单元的废气。两种气体混合后预热到150℃后进入烧嘴燃烧。
自1989年投产以来，一段炉转化管一直运行稳定，从2003年起，操作工巡检时发现，转化管的变形加剧，同时转化管在炉膛的颜色变亮，2003年和2004年都发生了转化管爆管现象，随后从2005年起，分3批次更换了29根转化管。
从拆除的发生转化管爆管的转化管检查发现，转化管爆管多发生在距炉顶2～7m，一部分在此区域的焊缝发生裂纹。
2 转化管直管段及焊接接头处损伤
2.1 直管段
从使用后的转化管分析可以发现：转化管先在晶界，特别是树枝状晶界上形成孔洞，逐渐连成裂纹并沿晶界发展。
铸钢在结晶时，晶界碳化物处会出现夹杂物。转化管最开始出现裂纹的位置正是在晶界夹杂那里、σ相组织和碳化物与基界交界处。进程为：先形成蠕变孔洞。转化管的损伤过程与原铸造组织及钢种成分、使用条件有关。在正常工况下，这个过程不会在较短的时间内完成。
从直管段处损伤状况看，从纵向看，在高温时在内、外壁温差大的区域首先破裂，裂纹是沿轴向方向发展；从管子的横截面看，距内表面约1/3～1/4壁厚处先产生损伤，裂纹在横截面上是径向的发展，与主应力相垂直。
2.2 焊接接头
转化管是合金离心浇铸管，长度根据口径的不同一般在3～5m。因此，一根转化管直管段上一般有3～5个焊口。
2.2.1 对接接头
焊接接头处有两种缺陷：一种为夹渣，一般是焊接过程中的层间清渣不干净，长时间使用后，该缺陷一般不会发生大的变化；一种为焊接热裂纹，在焊缝中，与管壁内表面垂直。在蠕变实验中，带有热裂纹的全壁厚试样由此裂纹处破裂。
长时间正常使用后，在焊接接头出现的裂纹多出现在焊缝的热影响区。这种裂纹由管内表面开始呈环向向管壁发展，与轴向力垂直，裂纹较粗，裂纹表面氧化。这种裂纹常先于管段上的裂纹产生。这与焊接时造成的应力及焊接时对附近材料的组织影响有关。
转化管管壁厚，焊接采用多层焊接，焊接形成很复杂的内应力。在焊接处很多两侧内表面处有两个应力区，其残余应力即使在高温下长时间工作，也很难消除完全。这里的组织为晶界上析出的块状碳化物及σ相，晶内还出现很多针状、棒状σ相及碳化物，这些组织的塑性变差，对消除内应力不利。
焊缝附近在焊后形成残余应力大、有缺陷组织的区域，在高温、内压及热压力，以及频繁开停车所造成的疲劳作用下，可能成为压力集中区而先行破裂。
从损坏的转化管看，裂纹首先出现在焊接接头且内外温差大的地方。裂纹一般出现在焊缝附近的内表面距焊根几毫米处，随后向管壁发展，止于焊缝边界。根据分析，焊接接头首先出现裂纹（40000h后即可发现），但其发展速度较管段慢。因此，一般可根据管段裂纹深度来判断炉管使用寿命。
2.2.2 角焊接
转化管与上、下猪尾管的焊接，中间用加强接头进行过渡。转化管与加强接头之间的焊接采用角焊；猪尾管与加强接头之间的焊接采用承插焊，中间保证有2mm的间隙，以防止在高温状态下，猪尾管受热伸长，与加强接头相接触，而产生热应力。
在焊接处都会产生较大的焊接应力。该处的裂纹主要由两方面产生：一是焊接质量问题。此处的焊接是在现场进行固定点焊接，位置比较狭窄；一是在此处由于结构的不连续性形成较大的应力集中。
3 炉管所受内应力
3.1 内压引起的应力
内压从顶部到底部是不同的，内压引起的应力相对来说是不变的。
3.2 内外壁温差引起的应力
炉管各部分内外壁温差在28～101℃。按温差50℃计算，瞬时最大热应力可达74～85Mpa。所以转化管受到很大的拉压应力。
3.3 热应力
转化管受多种热应力共同影响，在内半壁距表面一段距离处应力最大，裂纹多由此处产生。由于沿壁厚的压力分布不均，内半壁压力高于外半壁，使裂纹向内和向外发展速度不一样。一般距顶2～7m为高温、高压力区，炉管失效经常发生在这个部位，并不在内外温差大，但温度较低处（从顶往下2m内），也不在平均壁温高，但内外壁温差较小区域（从底往上2m内）。
4 操作影响
4.1 烧嘴
4.1.1 安装质量影响
烧嘴在安装时，由于安装质量引起烧嘴与转化管不平行，在燃烧时导致炉膛及转化管四周的温差较大，转化管偏烧，在内力作用下，转化管发生爆裂。
4.1.2 操作影响
调节烧嘴配风的风门，由于操作人员操作不精心，没有调节风门大小或风路堵塞，使火焰不能垂直向下燃烧，同时导致燃烧不完全，引起火焰偏烧或回火等现象，导致转化管偏烧，整个炉膛温度偏差较大。
5 解决办法
针对以上种种情况，结合实际情况采取以下一系列措施。
5.1 焊缝
焊缝（包括对接和交接）焊接完成后，对焊缝逐个进行100%表面探伤，对接接头进行100%射线探伤检查，合格后方可投运。
5.2 烧嘴
每班检查炉顶烧嘴，观察火焰长度及颜色，确保烧嘴火焰垂直和天然气充分燃烧。同时调节炉膛6个点的温度，使得炉膛内温差控制在20℃以内。
6 结束语
自2009年3月开始经过对焊接检查和加强操作检查之后，转化管的爆管事故已大大减少，实践证明，上述措施是有效的，到现在为止，只发生过一起爆管事故，大大的减少了系统停车，保障了生产的顺利进行。
【关键词】转化管 晶界 焊接接头 裂纹 应力 烧嘴
1 一段炉设备情况
自贡鸿化公司合成氨厂新系统一段炉是用于以天然气为主要原料，进行加压、水蒸汽转化，生产合成氨的关键设备。一段炉工艺气设计入口温度510℃，出口温度800℃，设计工艺负荷为8200m3/h天然气，正常时炉膛负压控制在—100Pa左右。
一段炉由箱式炉体和对流段两部分组成。一段转化炉属于顶烧炉，45个烧嘴分5排均布于炉顶。一段炉转化管采用HK—40，管径规格φ124×11mm，长12172mm，有效加热长度9372mm，材质为ZG4Cr25Ni20，装填镍系转化催化剂，共80根。转化管在炉顶4排并列安装，炉顶烧嘴产生的热量通过辐射方式传给转化管。烧嘴的燃烧气由两部分组成，一种是天然气，一种是来自回收单元的废气。两种气体混合后预热到150℃后进入烧嘴燃烧。
自1989年投产以来，一段炉转化管一直运行稳定，从2003年起，操作工巡检时发现，转化管的变形加剧，同时转化管在炉膛的颜色变亮，2003年和2004年都发生了转化管爆管现象，随后从2005年起，分3批次更换了29根转化管。
从拆除的发生转化管爆管的转化管检查发现，转化管爆管多发生在距炉顶2～7m，一部分在此区域的焊缝发生裂纹。
2 转化管直管段及焊接接头处损伤
2.1 直管段
从使用后的转化管分析可以发现：转化管先在晶界，特别是树枝状晶界上形成孔洞，逐渐连成裂纹并沿晶界发展。
铸钢在结晶时，晶界碳化物处会出现夹杂物。转化管最开始出现裂纹的位置正是在晶界夹杂那里、σ相组织和碳化物与基界交界处。进程为：先形成蠕变孔洞。转化管的损伤过程与原铸造组织及钢种成分、使用条件有关。在正常工况下，这个过程不会在较短的时间内完成。
从直管段处损伤状况看，从纵向看，在高温时在内、外壁温差大的区域首先破裂，裂纹是沿轴向方向发展；从管子的横截面看，距内表面约1/3～1/4壁厚处先产生损伤，裂纹在横截面上是径向的发展，与主应力相垂直。
2.2 焊接接头
转化管是合金离心浇铸管，长度根据口径的不同一般在3～5m。因此，一根转化管直管段上一般有3～5个焊口。
2.2.1 对接接头
焊接接头处有两种缺陷：一种为夹渣，一般是焊接过程中的层间清渣不干净，长时间使用后，该缺陷一般不会发生大的变化；一种为焊接热裂纹，在焊缝中，与管壁内表面垂直。在蠕变实验中，带有热裂纹的全壁厚试样由此裂纹处破裂。
长时间正常使用后，在焊接接头出现的裂纹多出现在焊缝的热影响区。这种裂纹由管内表面开始呈环向向管壁发展，与轴向力垂直，裂纹较粗，裂纹表面氧化。这种裂纹常先于管段上的裂纹产生。这与焊接时造成的应力及焊接时对附近材料的组织影响有关。
转化管管壁厚，焊接采用多层焊接，焊接形成很复杂的内应力。在焊接处很多两侧内表面处有两个应力区，其残余应力即使在高温下长时间工作，也很难消除完全。这里的组织为晶界上析出的块状碳化物及σ相，晶内还出现很多针状、棒状σ相及碳化物，这些组织的塑性变差，对消除内应力不利。
焊缝附近在焊后形成残余应力大、有缺陷组织的区域，在高温、内压及热压力，以及频繁开停车所造成的疲劳作用下，可能成为压力集中区而先行破裂。
从损坏的转化管看，裂纹首先出现在焊接接头且内外温差大的地方。裂纹一般出现在焊缝附近的内表面距焊根几毫米处，随后向管壁发展，止于焊缝边界。根据分析，焊接接头首先出现裂纹（40000h后即可发现），但其发展速度较管段慢。因此，一般可根据管段裂纹深度来判断炉管使用寿命。
2.2.2 角焊接
转化管与上、下猪尾管的焊接，中间用加强接头进行过渡。转化管与加强接头之间的焊接采用角焊；猪尾管与加强接头之间的焊接采用承插焊，中间保证有2mm的间隙，以防止在高温状态下，猪尾管受热伸长，与加强接头相接触，而产生热应力。
在焊接处都会产生较大的焊接应力。该处的裂纹主要由两方面产生：一是焊接质量问题。此处的焊接是在现场进行固定点焊接，位置比较狭窄；一是在此处由于结构的不连续性形成较大的应力集中。
3 炉管所受内应力
3.1 内压引起的应力
内压从顶部到底部是不同的，内压引起的应力相对来说是不变的。
3.2 内外壁温差引起的应力
炉管各部分内外壁温差在28～101℃。按温差50℃计算，瞬时最大热应力可达74～85Mpa。所以转化管受到很大的拉压应力。
3.3 热应力
转化管受多种热应力共同影响，在内半壁距表面一段距离处应力最大，裂纹多由此处产生。由于沿壁厚的压力分布不均，内半壁压力高于外半壁，使裂纹向内和向外发展速度不一样。一般距顶2～7m为高温、高压力区，炉管失效经常发生在这个部位，并不在内外温差大，但温度较低处（从顶往下2m内），也不在平均壁温高，但内外壁温差较小区域（从底往上2m内）。
4 操作影响
4.1 烧嘴
4.1.1 安装质量影响
烧嘴在安装时，由于安装质量引起烧嘴与转化管不平行，在燃烧时导致炉膛及转化管四周的温差较大，转化管偏烧，在内力作用下，转化管发生爆裂。
4.1.2 操作影响
调节烧嘴配风的风门，由于操作人员操作不精心，没有调节风门大小或风路堵塞，使火焰不能垂直向下燃烧，同时导致燃烧不完全，引起火焰偏烧或回火等现象，导致转化管偏烧，整个炉膛温度偏差较大。
5 解决办法
针对以上种种情况，结合实际情况采取以下一系列措施。
5.1 焊缝
焊缝（包括对接和交接）焊接完成后，对焊缝逐个进行100%表面探伤，对接接头进行100%射线探伤检查，合格后方可投运。
5.2 烧嘴
每班检查炉顶烧嘴，观察火焰长度及颜色，确保烧嘴火焰垂直和天然气充分燃烧。同时调节炉膛6个点的温度，使得炉膛内温差控制在20℃以内。
6 结束语
自2009年3月开始经过对焊接检查和加强操作检查之后，转化管的爆管事故已大大减少，实践证明，上述措施是有效的，到现在为止，只发生过一起爆管事故，大大的减少了系统停车，保障了生产的顺利进行。