雷峰 李喜芳

摘 要：本文主要对制氢装置转化炉炉管的开裂进行阐述，分析转化炉炉管开裂的原因，提出针对性的预防对策，希望对制氢装置性能的发挥与工作效率提升起到积极的参照作用。

关键词：制氢装置;转化炉炉管;开裂;预防;对策

0 引言

随着对制氢装置应用规模的不断扩大，制氢装置作为稳定提供氢源的设备，在炼油厂得到了广泛的应用。但制氢装置的工作机制复杂，需要对炉膛进行加热获得高温，促使其处于高温高压的工作状态，这对于炉管的安全可靠性提出了更高要求。受腐蚀因素影响，易出现制氢装置的转化炉炉管开裂的风险隐患，不利于满足制氢装置高质量与稳定性运行的要求。以此及时发现潜在的炉管开裂的原因，采取有效的措施及时规避风险隐患意义重大。

1 转化炉炉管开裂的腐蚀原因

1.1 氯离子腐蚀

部分金属与合金易与氯离子介质反应，形成缝隙腐蚀或孔蚀。当合金与金属表面的钝化膜发生破坏后，穿透力强的氯离子介质，会加速破坏膜的形成，对钝化膜的生成起到抑制作用，钝化膜的腐蚀部位会逐渐发生破坏。当金属表面的钝化膜发生破坏后，钝化表面与裸漏的金属表面，会组成大阴极与小阳极的腐蚀电池。阳极裸漏的金属表面会加速溶解，阴极表面加速氧化还原反应，从而生成腐蚀孔。金属溶解后，金属离子的浓度增大，正电荷增多，加剧了氯离子介质的迁入，从而生成氯化物。腐蚀孔内的氢离子浓度增大，酸性加强，氢离子与氯离子对孔内的腐蚀加速，促使孔蚀破坏继续进行。

1.2 高溫氧化腐蚀

制氢装置转化管的应用工况与环境恶劣，要求转化管的材料具有一定的抗氧化性，确保生产工序稳定进行。但当工况条件发生变化后，尤其是在过热的工况下，会加剧转化管材料表面的氧化，从而生成氧化产物。材料表面的氧化产物，与母材热膨胀系数存在明显差异，会促使表面产生附加应力，加上腐蚀产物导热性差等因素影响，会促使转化管的温度进一步升高。超温工况下会加剧转化管材料的氧化，降低材料的抗蠕变性，提高转化管发生开裂的可能。从而工况中的超温现象入手分析，首先是原料气因素影响产生的超温，过低水碳比的原料气，会促使催化剂结碳。当钠盐与蒸汽中的二氧化硅含量提高，会引起结块与结盐的现象。结块与结盐及结碳的现象存在，会促使催化剂的活性与原料气吸热转化能力降低，转化管出现局部过热的情况。当转化管内进入硫后，也会降低催化剂的活性与转化反应的速度及吸热量，从而引起超温的现象。其次是燃料因素影响产生的超温，当燃料气中带有液态烃或其他组分时，或是处于低温的工况下，会引起烧嘴喷液的情况，从而促使炉管发生超温现象。除此之外，还包括工艺与催化剂质量等因素影响引起的超温现象，值得加强重视与深入研究。

1.3 高温蠕变腐蚀

影响炉管材料抗蠕变性的因素较多，包括自身组织热稳定性与所处的应力及温度等环境要素。尤其是在装置运行过程中，过热的工况会促使炉管的蠕变发生变化。调整燃料会增大介质物料流量的波动，尤其是在关闭与启动后会快速降温，加上炉管本身的热应力，会引起高温蠕变腐蚀。蠕变也是指塑性变形的过程，微裂纹的发展与空穴的集积等过程同步进行，两者属于相互独立又相互制约的关系。高温下的荷载变动与金属时效过程及扩散作用等因素，都会影响炉管材料的高温断裂强度发生变化。

1.4 脱碳渗碳腐蚀

转化管内的反应气体，在高温下进行渗碳还原反应，涉及到二氧化碳与水蒸气及烃类等反应气体。吸附在金属表面的各反应气体，在镍与铁等物质的催化作用下会出现析碳反应，从而生成碳原子。碳原子的活性强，极易通过炉管表面缺陷或氧气膜破裂及组织疏松等部位，渗透到金属基体内，聚集在金属晶界上的同时，会与铬发生反应，从而生成铬的碳化物Gr7C3，降低碳层奥氏体组织内的铬含量，材料抗腐蚀性与抗氧化的性能降低;而镍含量更加集中，促使合金的耐热性降低。在高温条件下，气体介质会与炉管内的渗碳体发生反应，降低表层渗碳体的同时，促使临近未反应的金属层，逐渐向该反应区扩散，渗碳体减少金属层会逐渐向铁素体转变。炉管表面脱碳后，会降低钢铁疲劳极限与表面硬度及机械性能，从而引起氢鼓泡或裂纹等现象。

1.5 应力腐蚀

造成炉管开裂的原因较多，一是未合理选择材质，炉管材料的可焊性差，与碳钢材料焊接时会产生裂纹，或是出现脱碳的情况，在投入使用中出现焊缝开裂的情况。二是炉管结构引起的热应力，内外壁的温差较大，焊缝散热快，焊缝上下表面的温度差较大，会产生轴向弯曲应力。三是频繁的开启关闭，会促使焊缝出现热应力，从而产生网状的结构。

2 转化管炉管开裂的预防处理对策

2.1 规避腐蚀因素影响

体现在以下几方面;一是焊缝损伤是促使炉管损坏的常见影响因素，应当合理选择过渡段的炉管材质，避免出现焊缝应力开裂的情况。二是加强对转化炉运行参数的控制，避免出现炉管超温的现象。装置开工时严格围绕升温曲线进行，对称点燃燃烧器火嘴。装置停工后按照降温速度进行，对称熄灭燃烧器火嘴。装置运行时需全面点燃燃烧器火嘴，避免出现火苗舔管的情况。三是转化炉管在高温下长期运行时，金相组织内易出现σ相，应当选择能够避免产生σ相的炉管材质，易高效适应交变热负荷工况。四是避免频繁开停工，防止炉管温度急剧变化。当炉管壁温度超过使用温度时，会引起破坏性过热的现象，严重降低炉管运行效率与使用寿命，因此严格控制管壁温度意义重大。五是严格控制与防止氯离子的腐蚀，降低原料气与液态燃料气中的氯离子含量。尤其是在装置检修期间，应当避免氯化物接触转化炉管。同时控制转化炉管存放的环境，避免在露天环境与潮湿环境下存放[1]。

2.2 加强操作规程审定

加强对操作规程的建立与科学审定，通过多点测温方式

监控与参考数据，促使炉管壁温在可控范围内。各炉管的温度监视点应当超过三个，定期进行检查记录，重点监控炉膛温度，降低炉管开裂的几率，确保生产安全可靠性[2]。

2.3 减少炉温波动

以三维电视红外测量温度为准控制转化炉出口的温度，综合好炉管温度预算与炉膛温度预算及转化炉出口工艺控制温度间的关系，加强关联性的控制，从而根据预算结果科学调整参数，确保各炉管内的温度波动在理想范围内。

2.4 加强检查转化炉

检查监护不当也是引起转化炉出现故障的重要原因，因此应当加强对其的检查监护频率与力度。采取随机巡查与定期检查相结合的方式，监管转化炉的各部件情况[3]。当各部件出现严重耗损后，会增大转化炉的开裂故障倾向。因此应当科学展开部件的监管工作，以尽可能的延长设备使用周期。

2.5 提高操作水平

作为转化炉的检修与维护与日常操作等技术人员，应当加强实践经验总结，不断提高自身的技能水平与操作经验。企业应当加大培训教育力度，或是请专家介入指导，切实提高工作人员的专业素养与技术水平，加强队伍建设，降低故障发生几率[4]。

3 总结

影响转化炉管开裂的原因较多，本文主要对腐蚀因素引起的故障问题展开分析。发现转化炉管的故障问题，将会直接影响装置整体运行成效，延长装置的使用寿命，增加生产成本。因此应当围绕转化炉管开裂的原因，采取针对性的处理对策，包括加强操作规程审定与减少炉温波动及提高工作人员的操作水平等措施，积极为降低故障率创造条件，从而满足安全生产质量控制的要求，提高装置运行的效益。

参考文献：

[1]陈向平，曾传刚，李海建，等.天然气转化炉出口管系裂纹原因分析及解决方案[J].天然气化工，2018，43（3）：63-67.

[2]孙原田，邓华强，董霞，等.在用制氢转化炉提高热效率方法探索[J].石油化工设备技术，2019，40（4）：45-49.

[3]王强.制氢装置转化炉炉管短节开裂原因分析[J].石油化工设备，2016，45（S1）：48-53.

[4]潘超.制氢装置转化炉下猪尾管开裂失效分析[D].武汉：武汉工程大学，2018.