作者：張仕奇。

作者簡介：張仕奇，男，1990年2月出生，本科學(xué)歷，工程師，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)在阿克蘇華錦化肥有限責(zé)任公司合成車間從事設(shè)備管理工作。

摘要：介紹合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐爐管的改造更新情況，從爐管金屬組織在不同服役時間的狀態(tài)、爐管材質(zhì)、使用過程中可能對爐管壽命產(chǎn)生影響的主要事件、不同有害因素對爐管使用壽命的影響等方面進(jìn)行了分析探討，提出了爐管運行調(diào)整中應(yīng)注意的事項。

關(guān)鍵詞：一段轉(zhuǎn)化爐 爐管材質(zhì) 金屬組織 過熱損傷 使用壽命

1 概述

     阿克蘇華錦化肥有限責(zé)任公司一段轉(zhuǎn)化爐為凱洛格型合成氨工藝轉(zhuǎn)化爐，由輻射段、對流段和通風(fēng)系統(tǒng)組成，采用強制通風(fēng)方式，爐膛輻射段有378根爐管，分成9排，每排42根爐管底部與下集氣管連通，在每根下集氣管中部有1根上升管，通過下集氣管匯集工藝氣體沿上升管引至爐頂?shù)妮敋饪偣埽ㄟ^輸氣總管將氣體送至二段轉(zhuǎn)化爐，工藝流程如圖1所示。

圖1 一段轉(zhuǎn)化爐流程

     在2009年9月對全部爐管進(jìn)行改造更新，將原厚壁管更換為薄壁管，下集氣管及上升管也同步進(jìn)行更新。新爐管內(nèi)徑為88mm，壁厚為13.2mm，管心距為260.35mm，材質(zhì)為HP40-Nb M，設(shè)計壁溫為910℃，設(shè)計壓力為3.6MPa，設(shè)計壽命為10×10⁴h，轉(zhuǎn)化爐橫截面如圖2所示。

     轉(zhuǎn)化爐工藝氣入口溫度為512℃，出口溫度為822℃，輻射段為頂燒式，由160個頂部燒嘴提供轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量，爐管內(nèi)的天然氣和蒸汽在鎳催化劑作用下吸收爐內(nèi)燃燒熱量發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，爐體結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

     2022年8月，爐管全部更換，累積服役時間約為11×10⁴h。一段轉(zhuǎn)化爐是合成氨裝置的核心設(shè)備，任何1根爐管的損壞都會導(dǎo)致整個裝置停工，甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸等安全事故，因此爐管全壽命周期運行狀況分析對指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義。

2 爐管材質(zhì)概況

     合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐與石油化工生產(chǎn)中的制氫轉(zhuǎn)化爐均采用烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法，在特定溫度、壓力、催化劑作用下，天然氣或輕質(zhì)烴類與水蒸氣發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)得到氫氣，爐管長期在高溫、高壓的惡劣工況下服役，受催化劑裝填、工藝操作、燃燒器狀態(tài)、爐管本身材質(zhì)等多方面因素影響，極易引起爐管局部過熱，使?fàn)t管材質(zhì)性能迅速衰減以致發(fā)生蠕變、彎曲甚至開裂失效。早期爐管材質(zhì)多為HK40高溫厚壁管，管壁厚度達(dá)到20mm左右，在高溫狀態(tài)下由于管內(nèi)外存在較大溫差致使受熱膨脹不均勻，在管內(nèi)壁產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，管外壁產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在內(nèi)外應(yīng)力的作用下，該材質(zhì)極易發(fā)生損壞。另外因管壁較厚，導(dǎo)致熱效率較低，嚴(yán)重制約轉(zhuǎn)化效率。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，以HK系列材料為根基發(fā)展生產(chǎn)的HP系列耐熱合金鋼開始應(yīng)用在轉(zhuǎn)化爐上，并逐漸取代了HK系列爐管，為了增強爐管的高溫強度及韌性，在HP系列基礎(chǔ)上增加了鈮、鎢、鉬、鈦等合金元素，形成了一系列的合金爐管鋼種牌號，其中HP40-Nb為一種爐管常用材料，對應(yīng)國內(nèi)牌號為ZG40Ni35Cr25Nb，具有良好的抗高溫蠕變性能、抗?jié)B碳、抗氧化能力，用作轉(zhuǎn)化爐、裂解爐等爐管或爐內(nèi)構(gòu)件時使用溫度最高達(dá)1 100℃，抗氧化溫度上限達(dá)1 200℃^[1]。HP40-Nb爐管材質(zhì)成分如表1所示。

3 重要生產(chǎn)事件

3.1 催化劑更換

     該爐管自2009年9月開工投入運行以來，直至2022年8月全部更換，在全部服役周期內(nèi)累積使用了3批次催化劑：①2009年隨爐管更換進(jìn)行的裝填；②2013年隨裝置增產(chǎn)改造進(jìn)行的更換；③2019年因催化劑使用壽命耗盡，轉(zhuǎn)化率下降，能耗升高，影響裝置的正常生產(chǎn)運行，而對其進(jìn)行更換。

     一段轉(zhuǎn)化爐催化劑一般使用壽命為3~4a，受催化劑本身強度、裝填質(zhì)量、工藝操作等因素影響而不盡相同，2013年更換的催化劑運行效果最好。該批次催化劑從更換開始，累積在線服役時間接近6a，在運行過程中表現(xiàn)出良好的催化活性和穩(wěn)定性。從選擇適合西北地區(qū)油氣特性的具有高強度、高選擇性、高穩(wěn)定性、高活性的優(yōu)質(zhì)催化劑，到過篩、空管檢查、稱重、分層裝填、振搗、壓差測定等，正確裝填催化劑對充分發(fā)揮其功能和延長使用壽命具有重要作用。工藝條件控制更是直接影響催化劑壽命的決定性因素，運行過程中的超溫、中毒、析碳等不良因素對催化劑壽命都會造成影響，若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，甚至造成整爐催化劑報廢。因此在生產(chǎn)操作中需嚴(yán)格控制操作溫度，防止催化劑發(fā)生熔結(jié)或粉化。嚴(yán)密監(jiān)測入口原料氣硫含量，防止催化劑中毒。嚴(yán)格控制水碳比，并定期對儀表分析系統(tǒng)進(jìn)行校驗，防止發(fā)生析碳。以上措施在最大化延長催化劑使用壽命的同時，對延長爐管的使用壽命同樣具有重要意義，催化劑裝填不均或質(zhì)量不佳，以及超溫、中毒、析碳等不良反應(yīng)發(fā)生所造成的后果均是催化劑效能降低，管內(nèi)局部轉(zhuǎn)化反應(yīng)變?nèi)酰荒芗皶r將管外傳遞的熱量消耗，造成爐管局部超溫形成花管或亮斑，若長期在此種工況下運行，將造成爐管局部超溫劣化蠕脹變形，甚至開裂爆管，導(dǎo)致爐管失效。

3.2 燃燒器更換

     2013年，為滿足裝置擴產(chǎn)及環(huán)保需求，對一段轉(zhuǎn)化爐的爐頂燒嘴進(jìn)行更新改造，160個頂部燒嘴全部更換為低氮燃燒燒嘴。該批次燒嘴按照合成氨裝置增產(chǎn)50%的產(chǎn)能需求進(jìn)行設(shè)計制造，但其存在高效工作范圍窄、操作彈性小的缺陷。在裝置負(fù)荷較低的狀態(tài)下，燃燒器達(dá)不到最佳工況，燃燒效果不佳，存在火焰飄忽、發(fā)散無力等問題，常態(tài)低負(fù)荷下可維持運行且對設(shè)備影響不大，2020年隨著生產(chǎn)負(fù)荷提高，火焰寬度急劇擴大，強度增強，剛猛的尾焰擴展至兩側(cè)爐管迎火面，發(fā)生舔燒爐管的現(xiàn)象。2021年對該批燒嘴進(jìn)行重新設(shè)計改造，調(diào)整其高效工作范圍以適應(yīng)頻繁的負(fù)荷調(diào)整，同時對燒嘴噴頭重新進(jìn)行外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計，更換后燃燒效果得到大幅度提升，火焰短促明亮、剛度好，不再舔燒爐管。但由于燒嘴更新改造前近一年時間的高負(fù)荷生產(chǎn)階段，原有燒嘴不良的燃燒火焰高溫區(qū)已經(jīng)對爐管中上部迎火面造成了難以挽回的損傷，對爐管的使用壽命產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。火焰舔燒爐管產(chǎn)生局部的高溫可能破壞催化劑載體的強度，導(dǎo)致催化劑碎裂粉化、活性降低，從而使得轉(zhuǎn)化反應(yīng)速度減慢，吸熱量減少，這又反作用在爐管上，造成管壁溫度升高，局部過熱。在觀察爐管運行狀態(tài)時，可見爐管中上部受燒嘴尾焰影響區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的帶狀高溫區(qū)，如圖4所示。

     除此之外在服役過程中，催化劑搭橋、結(jié)焦等原因也會導(dǎo)致局部過熱，過熱溫度高達(dá)1 100℃。這種局部過熱現(xiàn)象會導(dǎo)致爐管使用壽命極大降低，嚴(yán)重時直接導(dǎo)致爐管失效^[3]。

3.3 一段轉(zhuǎn)化爐開、停車次數(shù)

     自新爐管投用至更換期間，一段轉(zhuǎn)化爐累計開、停車16次。對爐管而言，每次開停車溫度循環(huán)變化1次，在運行階段管壁由于內(nèi)部介質(zhì)吸熱作用，在管壁內(nèi)、外側(cè)存在一定溫差，熱膨脹不一致，將導(dǎo)致管壁存在一定熱應(yīng)力，在開、停車階段，應(yīng)力急劇變化將對爐管性能產(chǎn)生較大影響。由頻繁的溫度循環(huán)變化導(dǎo)致應(yīng)力循環(huán)變化會引發(fā)金屬材料的熱疲勞，金屬材料的內(nèi)部應(yīng)力變化首先引發(fā)金屬表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的微觀塑性變形，在塑性變形應(yīng)力最集中的部位最先出現(xiàn)微小裂紋，這種損傷不一定會導(dǎo)致管壁泄漏，但組織上的缺陷會使該部位管壁的綜合性能下降，尤其在外壁受高溫作用碳化物析出，導(dǎo)致強度降低時，兩種作用疊加，促使?fàn)t管蠕脹鼓包甚至穿透性泄漏，給爐管帶來致命傷害。對于HP40-Nb材質(zhì)而言，本身具有較高的抗蠕變、抗氧化、耐高溫性能，在運行階段一般管內(nèi)壁溫可達(dá)700℃左右，該溫度下的有限次數(shù)循環(huán)開、停車溫度變化對全奧氏體基體的爐管相對損傷較弱，但這種熱疲勞損傷不可逆轉(zhuǎn)，并會持續(xù)累積，頻繁的開、停車會放大不良影響，因此在生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少開、停車次數(shù)，并控制升、降溫速度，減少劇烈的溫度變化沖擊。

4 爐管運行狀態(tài)分析

     一段轉(zhuǎn)化爐是合成氨裝置的核心設(shè)備，378根爐管在900~1 200℃、2~3.6MPa的苛刻條件下服役，任何1根發(fā)生故障，都會導(dǎo)致整個裝置停車，損失巨大，因此對爐管損傷情況進(jìn)行跟蹤及掌握尤為重要。除日常巡回檢查外，每個大修期間都應(yīng)對爐管進(jìn)行宏觀檢查與無損檢測，借以評估爐管能否在下一服役周期內(nèi)安全可靠運行。因離心鑄造爐管的結(jié)構(gòu)特性，通常以超聲透射技術(shù)對爐管進(jìn)行全面檢測，輔助以金相檢查、蠕脹測量等其他手段，全方位對爐管損傷情況進(jìn)行分級評定，爐管損傷分級及含義如表2所示。

     一段轉(zhuǎn)化爐爐管自2009年投用以來，分別于2010年、2013年、2016年、2019年、2020年、2021年進(jìn)行過6次全面評級檢驗。至2013年爐管服役時間約為3×10⁴h，超聲爬管檢測評級除5根管為B_下級外，其余全部為A級，外觀無明顯彎曲、氧化，表面楊梅粒子完整，金相顯示材質(zhì)晶界及晶內(nèi)有碳化物析出沉積，原鑄態(tài)骨架狀結(jié)構(gòu)晶界附近仍存有大量二次碳化物彌散分布，組織狀態(tài)良好，如圖5所示。

     至2016年爐管服役時間約為6×10⁴h，超聲爬管檢測評級大部分爐管狀態(tài)為B_下級，個別爐管損傷程度仍可達(dá)到A級，同時有個別爐管評級為B級管，外觀情況尚好，極少數(shù)爐管存在輕微蠕脹，金相檢驗顯示材質(zhì)原奧氏體基體晶界的骨架狀結(jié)構(gòu)基本消失，彌散分布的二次碳化物消失并沉積在晶界，導(dǎo)致晶界粗化，如圖6所示。表明爐管組織已經(jīng)發(fā)生輕微劣化，但對爐管強度尚不會產(chǎn)生較大影響，仍處于較好的服役狀態(tài)。

圖6 服役6×10⁴h爐管金相

     至2019年爐管服役時間達(dá)到8×10⁴h，超聲爬管評級絕大部分爐管狀態(tài)為B_下級，有近20%的爐管評為B級，金相檢驗顯示被檢測部位爐管組織中的晶界原骨架結(jié)構(gòu)完全消失，已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變成網(wǎng)鏈狀，原分布在晶內(nèi)的碳化物在晶界附近沉積，導(dǎo)致晶界呈粗大網(wǎng)鏈狀，如圖7所示。但在晶界內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)微小蠕變空洞及蠕變裂紋，表明爐管材質(zhì)已經(jīng)劣化，但仍處于使用壽命中期階段，在正常的操作條件下仍可安全使用。

圖7 服役8×10⁴h爐管金相

     鑒于爐管的評級狀況逐漸變差及使用時間的不斷延長，在接下來的使用中加強了檢測頻次，2020年受生產(chǎn)負(fù)荷提升與燒嘴運行不良雙重影響，檢測時發(fā)現(xiàn)爐管在距離爐頂1.5m的位置向下，普遍存在長度約2m的管段外觀顏色發(fā)黑，表面氧化嚴(yán)重，楊梅粒子大量脫落，存在輕微蠕脹的情況，但微觀檢測未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋缺陷，超聲爬管評級大部分評為B級管，個別損傷嚴(yán)重的評為B_上級。對該部分管段金相檢測顯示晶界碳化物更加集中，呈現(xiàn)較大的顆粒狀或球狀，晶內(nèi)碳化物明顯消失，如圖8所示。此種情況表明，此段轉(zhuǎn)化爐管材質(zhì)組織已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重改變，基體強度下降，抗高溫性能和抗蠕變性能將可預(yù)見性的顯著降低，除此之外，爐管其余部位材質(zhì)尚可，與歷史檢測情況相當(dāng)。爐管雖能繼續(xù)使用，但需嚴(yán)格控制操作指標(biāo)，在使用過程中加強跟蹤檢驗，具備條件可考慮對爐管進(jìn)行取樣分析或者局部更換準(zhǔn)備。

圖8 受損管段金相

     至2021年爐管服役時間達(dá)到10×10⁴h，期間實施了針對燒嘴狀態(tài)不佳導(dǎo)致爐管中上部材質(zhì)快速劣化而采取的燒嘴改造，燒嘴改造雖然取得了較好效果，但爐管累積的材質(zhì)損傷已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，在此次檢測中發(fā)現(xiàn)十余根爐管中上部已經(jīng)發(fā)生明顯儒脹鼓包，被評級為存在嚴(yán)重?fù)p傷不能安全運行的C級管，為防止其在運行過程中突發(fā)泄漏或爆管，對該部分爐管進(jìn)行了堵管處理。其余大部分爐管損傷嚴(yán)重，存在中上部受熱面楊梅粒子全部脫落，表面呈現(xiàn)亮黑色的嚴(yán)重氧化，存在不同程度的輕微蠕脹變形，金相檢測顯示奧氏體基體晶內(nèi)碳化物已經(jīng)完全消失，晶界碳化物聚集，材質(zhì)已經(jīng)徹底劣化，如圖9所示。

     對封堵的爐管進(jìn)行取樣評估，分別進(jìn)行室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、高溫蠕變持久試驗、彎曲試驗、沖擊試驗，檢驗結(jié)果表明抗拉強度、屈服強度顯著降低，在1 050℃、25MPa高溫蠕變持久試驗條件下，爐管持久斷裂時間遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小斷裂時間，在彎曲試驗中試樣均發(fā)生斷裂，表明材質(zhì)韌性下降，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧稀１敬螜z驗表明爐管損傷程度較高，顯微組織劣化嚴(yán)重，材質(zhì)本身的抗氧化性、抗蠕變性能、高溫持久強度消耗殆盡，已經(jīng)處于使用壽命末期，需監(jiān)控使用。

     爐管在服役期間連續(xù)跟蹤的無損檢測是非常有必要的，其中超聲波透射技術(shù)主要是針對HK40材質(zhì)的厚壁爐管研發(fā)設(shè)計，技術(shù)純熟準(zhǔn)確度較高，隨著新材料的應(yīng)用及爐管國產(chǎn)化，爐管壁厚及管徑各不相同，尤其薄壁管的應(yīng)用導(dǎo)致爬管檢測時超聲透射截面減小，檢測區(qū)域變得非常狹窄，準(zhǔn)確性大打折扣，同時由于HP材料的專項研究較少，專門的檢測數(shù)據(jù)與分析經(jīng)驗不充足，導(dǎo)致其原有的評級體系準(zhǔn)確性不高，對投用時間較短的爐管其檢測結(jié)果參考意義不大，若服役時間接近爐管壽命晚期階段，利用大修周期進(jìn)行超聲檢測仍有必要，因為該種方式仍是目前可實現(xiàn)對爐管覆蓋面積最大的檢測方式，其檢測結(jié)果可提醒技術(shù)人員對回波異常的管段給予關(guān)注。

     無論什么原因造成的爐管損傷，其實質(zhì)都是組織的變化，因此對爐管進(jìn)行金相檢驗非常有必要，金相分析可準(zhǔn)確反映材料組織的變化情況，給出定性分析結(jié)論，并且可以在爐管的某個區(qū)域逐年進(jìn)行連續(xù)分析，以跟蹤材質(zhì)的劣化進(jìn)程，便于對其剩余使用壽命進(jìn)行評估。但金相分析取樣面積小，耗費時間長，操作精細(xì)度要求高，因此取樣點應(yīng)具有一定的代表性。

     硬度檢驗、常溫沖擊試驗、彎曲試驗等可以分析材料的力學(xué)性能變化情況，高溫持久試驗通過模擬高溫加載條件，在一定溫度與載荷強度作用下，通過斷裂時間反應(yīng)材料的損傷情況，理論上通過溫度與載荷狀態(tài)的模擬實驗可粗略估量爐管的剩余使用壽命，但一般正常運行階段不具備截取試樣條件，當(dāng)有換管或堵管等非常規(guī)操作機會時，截取試樣進(jìn)行分析對預(yù)估剩余壽命和指導(dǎo)生產(chǎn)具有重大意義。

5 影響使用壽命因素

5.1 制造因素

     高溫合金鑄造爐管采用離心澆鑄而成，制造工藝控制不嚴(yán)可能導(dǎo)致熔煉鋼水中的雜質(zhì)不能在離心澆鑄時排到管的外表面，而是呈螺旋狀分布在基體組織中，這將成為鑄管的薄弱點，在高溫運行時抵抗不住應(yīng)力的影響，率先產(chǎn)生裂紋損壞。此外企業(yè)在制造過程中為節(jié)省成本，母材中各有效元素含量一般會控制在標(biāo)準(zhǔn)下限，這也將對爐管的抗氧化性、抗蠕變能力及高溫強度產(chǎn)生一定影響。

5.2 升、降溫速率控制

     開、停車過程中正常的升、降溫一般不會對爐管產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但在異常情況下的應(yīng)急處置時，會面臨超溫或急速降溫的過程，這可能造成爐管外壁所受的內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生急劇變化，對組織造成疲勞損傷并逐漸累積，在經(jīng)受頻繁的溫度沖擊后，造成管壁損壞開裂。同時急劇的溫度變化也會引起催化劑載體內(nèi)部應(yīng)力的驟變，導(dǎo)致催化劑粉化碎裂，增大管內(nèi)阻力，使氣體流量減少，導(dǎo)致爐管局部過熱蠕脹損壞。生產(chǎn)過程中應(yīng)盡可能平穩(wěn)開車，同時減少緊急停工次數(shù)，延長爐管使用壽命。

5.3 操作控制

     爐管在長期運行過程中會因為應(yīng)力疲勞、熱疲勞、蠕脹裂紋、彎曲變形、組織劣化、強度韌性降低等多種原因發(fā)生破裂或斷裂失效，眾多導(dǎo)致爐管直接失效原因發(fā)生的基礎(chǔ)都有高溫的影響，高溫下材料組織表面的碳化物氧化流失，內(nèi)部二次碳化物不斷沿晶界析出，導(dǎo)致材料脫碳組織劣化，引起材料的強度、硬度、韌性、抗疲勞性能降低，最終引發(fā)破裂。因此在日常操作過程中需嚴(yán)格控制操作溫度，及時處理因催化劑或燒嘴引發(fā)的紅斑、亮管、花管、舔管問題，避免爐管發(fā)生局部超溫過熱，造成材質(zhì)損傷。

6 結(jié)束語

       從一段轉(zhuǎn)化爐爐管服役的11×10⁴h全壽命周期的連續(xù)檢測過程中可以發(fā)現(xiàn)，在（8~10）×10⁴h階段，負(fù)荷的提升疊加燒嘴舔管的影響使?fàn)t管材質(zhì)發(fā)生了快速劣化，直接導(dǎo)致爐管使用壽命大幅度縮短。在生產(chǎn)中除嚴(yán)密監(jiān)測爐管運行狀態(tài)和定期跟蹤檢驗外，還要重點關(guān)注燃燒器燒嘴的工作狀態(tài)，盡量避免偏燒舔管，每次負(fù)荷調(diào)整后應(yīng)現(xiàn)場確認(rèn)燒嘴燃燒狀態(tài)，有檢修機會應(yīng)對燒嘴進(jìn)行疏通，清除積碳確保燃燒狀態(tài)正常。在爐管運行過程中溫度是最重要的影響因素，即使很小區(qū)域的局部過熱對爐管來說也是致命的，無論是蠕脹開裂還是應(yīng)力腐蝕裂紋或是熱疲勞斷裂，其根本原因均是基體組織首先發(fā)生變化，損傷逐漸累積破壞組織的穩(wěn)定性和強度導(dǎo)致爐管鼓包開裂，喪失使用功能，因此在裝置生產(chǎn)中應(yīng)切實做好設(shè)備管理，嚴(yán)控操作指標(biāo)，合理確定升、降溫速率，以此來保障爐管的安全運行，最大化的延長其使用壽命。

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