制氫裝置轉化爐爐管開裂分析及預防對策研究

雷峰 李喜芳

摘 要：本文主要對制氫裝置轉化爐爐管的開裂進行闡述，分析轉化爐爐管開裂的原因，提出針對性的預防對策，希望對制氫裝置性能的發揮與工作效率提升起到積極的參照作用。

關鍵詞：制氫裝置;轉化爐爐管;開裂;預防;對策

0 引言

隨著對制氫裝置應用規模的不斷擴大，制氫裝置作為穩定提供氫源的設備，在煉油廠得到了廣泛的應用。但制氫裝置的工作機制復雜，需要對爐膛進行加熱獲得高溫，促使其處于高溫高壓的工作狀態，這對于爐管的安全可靠性提出了更高要求。受腐蝕因素影響，易出現制氫裝置的轉化爐爐管開裂的風險隱患，不利于滿足制氫裝置高質量與穩定性運行的要求。以此及時發現潛在的爐管開裂的原因，采取有效的措施及時規避風險隱患意義重大。

1 轉化爐爐管開裂的腐蝕原因

1.1 氯離子腐蝕

部分金屬與合金易與氯離子介質反應，形成縫隙腐蝕或孔蝕。當合金與金屬表面的鈍化膜發生破壞后，穿透力強的氯離子介質，會加速破壞膜的形成，對鈍化膜的生成起到抑制作用，鈍化膜的腐蝕部位會逐漸發生破壞。當金屬表面的鈍化膜發生破壞后，鈍化表面與裸漏的金屬表面，會組成大陰極與小陽極的腐蝕電池。陽極裸漏的金屬表面會加速溶解，陰極表面加速氧化還原反應，從而生成腐蝕孔。金屬溶解后，金屬離子的濃度增大，正電荷增多，加劇了氯離子介質的遷入，從而生成氯化物。腐蝕孔內的氫離子濃度增大，酸性加強，氫離子與氯離子對孔內的腐蝕加速，促使孔蝕破壞繼續進行。

1.2 高溫氧化腐蝕

制氫裝置轉化管的應用工況與環境惡劣，要求轉化管的材料具有一定的抗氧化性，確保生產工序穩定進行。但當工況條件發生變化后，尤其是在過熱的工況下，會加劇轉化管材料表面的氧化，從而生成氧化產物。材料表面的氧化產物，與母材熱膨脹系數存在明顯差異，會促使表面產生附加應力，加上腐蝕產物導熱性差等因素影響，會促使轉化管的溫度進一步升高。超溫工況下會加劇轉化管材料的氧化，降低材料的抗蠕變性，提高轉化管發生開裂的可能。從而工況中的超溫現象入手分析，首先是原料氣因素影響產生的超溫，過低水碳比的原料氣，會促使催化劑結碳。當鈉鹽與蒸汽中的二氧化硅含量提高，會引起結塊與結鹽的現象。結塊與結鹽及結碳的現象存在，會促使催化劑的活性與原料氣吸熱轉化能力降低，轉化管出現局部過熱的情況。當轉化管內進入硫后，也會降低催化劑的活性與轉化反應的速度及吸熱量，從而引起超溫的現象。其次是燃料因素影響產生的超溫，當燃料氣中帶有液態烴或其他組分時，或是處于低溫的工況下，會引起燒嘴噴液的情況，從而促使爐管發生超溫現象。除此之外，還包括工藝與催化劑質量等因素影響引起的超溫現象，值得加強重視與深入研究。

1.3 高溫蠕變腐蝕

影響爐管材料抗蠕變性的因素較多，包括自身組織熱穩定性與所處的應力及溫度等環境要素。尤其是在裝置運行過程中，過熱的工況會促使爐管的蠕變發生變化。調整燃料會增大介質物料流量的波動，尤其是在關閉與啟動后會快速降溫，加上爐管本身的熱應力，會引起高溫蠕變腐蝕。蠕變也是指塑性變形的過程，微裂紋的發展與空穴的集積等過程同步進行，兩者屬于相互獨立又相互制約的關系。高溫下的荷載變動與金屬時效過程及擴散作用等因素，都會影響爐管材料的高溫斷裂強度發生變化。

1.4 脫碳滲碳腐蝕

轉化管內的反應氣體，在高溫下進行滲碳還原反應，涉及到二氧化碳與水蒸氣及烴類等反應氣體。吸附在金屬表面的各反應氣體，在鎳與鐵等物質的催化作用下會出現析碳反應，從而生成碳原子。碳原子的活性強，極易通過爐管表面缺陷或氧氣膜破裂及組織疏松等部位，滲透到金屬基體內，聚集在金屬晶界上的同時，會與鉻發生反應，從而生成鉻的碳化物Gr7C3，降低碳層奧氏體組織內的鉻含量，材料抗腐蝕性與抗氧化的性能降低;而鎳含量更加集中，促使合金的耐熱性降低。在高溫條件下，氣體介質會與爐管內的滲碳體發生反應，降低表層滲碳體的同時，促使臨近未反應的金屬層，逐漸向該反應區擴散，滲碳體減少金屬層會逐漸向鐵素體轉變。爐管表面脫碳后，會降低鋼鐵疲勞極限與表面硬度及機械性能，從而引起氫鼓泡或裂紋等現象。

1.5 應力腐蝕

造成爐管開裂的原因較多，一是未合理選擇材質，爐管材料的可焊性差，與碳鋼材料焊接時會產生裂紋，或是出現脫碳的情況，在投入使用中出現焊縫開裂的情況。二是爐管結構引起的熱應力，內外壁的溫差較大，焊縫散熱快，焊縫上下表面的溫度差較大，會產生軸向彎曲應力。三是頻繁的開啟關閉，會促使焊縫出現熱應力，從而產生網狀的結構。

2 轉化管爐管開裂的預防處理對策

2.1 規避腐蝕因素影響

體現在以下幾方面;一是焊縫損傷是促使爐管損壞的常見影響因素，應當合理選擇過渡段的爐管材質，避免出現焊縫應力開裂的情況。二是加強對轉化爐運行參數的控制，避免出現爐管超溫的現象。裝置開工時嚴格圍繞升溫曲線進行，對稱點燃燃燒器火嘴。裝置停工后按照降溫速度進行，對稱熄滅燃燒器火嘴。裝置運行時需全面點燃燃燒器火嘴，避免出現火苗舔管的情況。三是轉化爐管在高溫下長期運行時，金相組織內易出現σ相，應當選擇能夠避免產生σ相的爐管材質，易高效適應交變熱負荷工況。四是避免頻繁開停工，防止爐管溫度急劇變化。當爐管壁溫度超過使用溫度時，會引起破壞性過熱的現象，嚴重降低爐管運行效率與使用壽命，因此嚴格控制管壁溫度意義重大。五是嚴格控制與防止氯離子的腐蝕，降低原料氣與液態燃料氣中的氯離子含量。尤其是在裝置檢修期間，應當避免氯化物接觸轉化爐管。同時控制轉化爐管存放的環境，避免在露天環境與潮濕環境下存放[1]。

2.2 加強操作規程審定

加強對操作規程的建立與科學審定，通過多點測溫方式

監控與參考數據，促使爐管壁溫在可控范圍內。各爐管的溫度監視點應當超過三個，定期進行檢查記錄，重點監控爐膛溫度，降低爐管開裂的幾率，確保生產安全可靠性[2]。

2.3 減少爐溫波動

以三維電視紅外測量溫度為準控制轉化爐出口的溫度，綜合好爐管溫度預算與爐膛溫度預算及轉化爐出口工藝控制溫度間的關系，加強關聯性的控制，從而根據預算結果科學調整參數，確保各爐管內的溫度波動在理想范圍內。

2.4 加強檢查轉化爐

檢查監護不當也是引起轉化爐出現故障的重要原因，因此應當加強對其的檢查監護頻率與力度。采取隨機巡查與定期檢查相結合的方式，監管轉化爐的各部件情況[3]。當各部件出現嚴重耗損后，會增大轉化爐的開裂故障傾向。因此應當科學展開部件的監管工作，以盡可能的延長設備使用周期。

2.5 提高操作水平

作為轉化爐的檢修與維護與日常操作等技術人員，應當加強實踐經驗總結，不斷提高自身的技能水平與操作經驗。企業應當加大培訓教育力度，或是請專家介入指導，切實提高工作人員的專業素養與技術水平，加強隊伍建設，降低故障發生幾率[4]。

3 總結

影響轉化爐管開裂的原因較多，本文主要對腐蝕因素引起的故障問題展開分析。發現轉化爐管的故障問題，將會直接影響裝置整體運行成效，延長裝置的使用壽命，增加生產成本。因此應當圍繞轉化爐管開裂的原因，采取針對性的處理對策，包括加強操作規程審定與減少爐溫波動及提高工作人員的操作水平等措施，積極為降低故障率創造條件，從而滿足安全生產質量控制的要求，提高裝置運行的效益。

參考文獻：

[1]陳向平，曾傳剛，李海建，等.天然氣轉化爐出口管系裂紋原因分析及解決方案[J].天然氣化工，2018，43（3）：63-67.

[2]孫原田，鄧華強，董霞，等.在用制氫轉化爐提高熱效率方法探索[J].石油化工設備技術，2019，40（4）：45-49.

[3]王強.制氫裝置轉化爐爐管短節開裂原因分析[J].石油化工設備，2016，45（S1）：48-53.

[4]潘超.制氫裝置轉化爐下豬尾管開裂失效分析[D].武漢：武漢工程大學，2018.