甲醇蒸汽转化炉炉管损伤分析及修复

制氢转化炉炉管老化机理与焊接修复研究进展0 前言随着国家对环保要求的不断提高，制氢工艺广泛运用于石化行业中。

石化行业制氢装置主要是以轻质烃类在高温、高压和催化条件下与水蒸气发生反应，最终生成H2和CO2的生产装置，制氢转化炉是制氢装置的核心设备，而炉管则是这些设备的心脏[1]。

通常制氢转化炉炉管的设计寿命为1×105 h，除了炉管内流通的高温H2,CO等气体会缩短其使用周期，压力、温度等诸多因素的变化同样会带来不利影响，造成炉管在未达到生命周期就发生各种形式的损伤[2]。

目前，对于制氢转化炉炉管材料服役损伤失效的问题，研究者从炉管材料金相组织在服役过程中发生的演变得出导致炉管材料破坏的老化机理；在焊接修复方面主要针对焊接性在服役前后的变化，分别采取直接焊接修复和热处理恢复性能后再进行焊接的办法开展试验研究，并取得了长足的进步，为石化行业制氢设备的安全、长周期运行发挥了重要作用。

1 典型炉管材料的服役老化机理1.1 炉管材料的合金体系与金相组织特征炉管材料的开发与使用随着服役要求的提高经历了几个不同的阶段，其合金体系发展,见表1。

最初作为炉管使用的材料是18Cr/8Ni系列，但是由于其耐热强度在温度超过600～800 ℃以后迅速降低，在对铬、镍的成分进行改变以后发现当铬和镍质量分数分别为25%和20%时所形成的材料具有更高的热强度；在进一步寻求更加优异性能的过程中，发现把含碳量提高到0.4%以后材料表现出更高的强度和抗氧化性能，使得在20世纪60,70年代普遍使用的炉管材料是HK-40[3]；然而经过一段时间使用以后发现，在800 ℃的操作工况温度下HK-40容易生成有害的σ相，20世纪80年代期间出现大量HP系列合金被用作制氢转化炉的炉管材料，较HK系列其镍含量增加到35%，服役环境下所生成σ相的比例随着镍含量的提高而得以下降；为了得到高温时更高的抗蠕变断裂强度和韧性，又把铌、钨、钛、钼等合金元素添加到HP合金中，从而形成了一系列新的合金炉管的钢种牌号，例如HP-40Nb。

制氢转化炉炉管失效分析发布时间：2021-03-11T14:57:26.320Z 来源：《中国建设信息化》2020年22期作者：魏明孝[导读] 制氢2号转化炉在累计运行3.866万小时后，停工检查发现，处在同一列中的52#、58#、60#、62#共计4根炉管下端出口魏明孝中国石化股份有限公司荆门分公司，湖北荆门 448039一、前言制氢2号转化炉在累计运行3.866万小时后，停工检查发现，处在同一列中的52#、58#、60#、62#共计4根炉管下端出口猪尾管下方大约200～300mm处均出现穿透性开裂，其中58#号破裂成一个洞，52#、60#、62#炉管的开裂部位伴有鼓包。

因此，对炉管安全状况进行评估，找到失效的原因，对该批炉管能否继续使用以及使用过程中应注意的问题，有着重要意义。

二、分析材料根据炉管壁温受热分布和炉管损伤部位，抽取62号一段和58号上中下三段炉管，编号为62#、581#、582#、583#。

见图1~4:1、炉管宏观检查四段取样炉管基本上没有宏观变形，但有椭圆形穿孔，壁厚在11.0～11.4mm之间，与正常部位壁厚基本相同。

62号炉管有环向弦长120mm，轴向长130mm，高度10mm的鼓包，中部有一条长65mm的轴向穿透裂纹，还有30多条从外表面开裂的未穿透裂纹，深度在1～5mm之间，长度在3～15mm之间。

2、炉管截面内外表面着色探伤对分割后的炉管进行机械加工，经喷砂与打磨处理后，对四个取样管段的内外壁均进行了100％着色探伤。

1）外表面对外表面进行了100％的着色探伤。

在取样581外表面发现了不少直径在1～2mm的小凹坑，其中最大的一个凹坑距离下端331mm，距离右剖口223mm，直径2mm。

在取样582外表面发现有一条距离左剖口161mm，距离下端236 mm，长30mm的轴向裂纹,形貌见图6～图7。

图6 582外表面裂纹照片图图7中582外表面裂纹放大照片3、炉管材料性能测试与评价3.1、炉管材料化学成分分析炉管“材质为2535Nb，规格为φ143.6×10.8mm×14074 mm，按照标准HG/T 2601-94制造。

第51卷第8期 辽 宁 化 工 Vol.51，No. 8 2022年8月 Liaoning Chemical Industry August，2022制氢转化炉炉管损坏原因的分析徐 鹏（大庆油田化工集团甲醇分公司合成氨车间， 黑龙江 大庆 163000）摘 要： 转化炉管泄漏是每年检修都会检查到的问题，炉管泄漏率增加不但会影响检修进度和增加维修成本，还会增加转化炉运行时的安全隐患。

通过对转化炉管损伤情况的分析，来确定主要导致炉管泄漏的原因，针对原因进行改进，才可以提高炉管的使用寿命。

关 键 词：炉管损伤；制氢；平衡锤中图分类号：TQ052 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2022）08-1156-03甲醇分公司合成氨车间始建于2005年，装置生产能力为每年5万t液氨和0.86万t氢气。

制氢工序的核心设备是转化炉。

蒸汽转化炉是Linde-Selas 顶烧式炉型。

转化炉整体由钢结构框架支承，包括辐射段和对流段。

辐射段由两炉管和三排火嘴组成。

一共是78根炉管和27个火嘴。

炉管的材质型号是Hp40nb。

炉管内径114.3 mm，有效加热长度13 m。

炉管两端分别与入口猪尾管，出口猪尾管相连，材质采用耐腐蚀、耐高温高蠕变强度的Incoloy800。

出口集气管分为炉内热集气管和炉底冷集气管组成。

辐射段炉管采用平衡锤吊挂的上支承结构。

制氢的转化流程是，3.6 MPa的6 987 kg·h-1的天然气和23 268 kg·h-1的中压蒸汽经过转化炉对流段的天然气加热器将温度控制在550 ℃进入转化炉炉管进行反应，转化炉炉管内装有型号Z111YQ 的镍触媒催化剂，反应温度在850 ℃，经过高温反应，生成H2、CO和CO2。

反应方程式：CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H21 炉管损坏的情况装置在每年的例行检修过程中，都会对转化炉炉管进行理化检验，包括射线探伤和超声波探伤。

制氢装置转化炉炉管焊缝开裂原因分析及预防措施摘要：某制氢装置转化炉于2014年10月投用，2019年5月检查发现有1根延伸段炉管存在裂纹，其工作温度为460℃，材质为SA-312TP304H，对其进行打磨时发现该裂纹为穿透性裂纹，这将会造成炉管内介质泄漏，给制氢装置的安全生产带来隐患。

另外，在装置停工检修时发现还有5根炉管焊缝也存在裂纹缺陷。

为了防止裂纹缺陷的进一步扩大，保证设备的安全生产，有必要对制氢装置转化炉炉管进行失效分析，并提出相应的整改措施。

1制氢装置转化炉及炉管情况1．1转化炉情况转化炉是制氢装置的核心设备，炉管内装有催化剂，介质通过炉管被加热，同时又进行化学反应。

关键词：转化炉;炉管;焊缝开裂;热疲劳;裂纹;高温蠕变引言随着世界范围内对清洁原料的使用需求在不断增加，近几年我国氢气的需求量可谓是日益增加，制氢装置的功能性则需要不断更新，尽可能满足工业发展领域的实际需求。

由于在转化过程中，具有强吸热以及高温等特点，该反应器被设计成加热炉的形式，在使用过程中，需要将催化剂装在一根根装入炉内，由炉膛直接加热，进而发现使用过程中容易出现的问题，需要针对这些问题进行解决。

1制氢装置转化炉及炉管情况1．1转化炉情况转化炉是制氢装置的核心设备，炉管内装有催化剂，介质通过炉管被加热，同时又进行化学反应。

该装置转化炉采用顶烧单排管双面辐射炉型，主要由辐射室、对流室和烟囱组成，共有炉管96根，分四排布置。

转化炉炉管采用顶部吊挂、下部支撑的结构形式，其上部通过上猪尾管与进口集合管相连，下部为内衬管，与冷壁分集气管相连;四根分集气管在末端汇合进入冷壁总集气管与转化气余热锅炉相连;上猪尾管、上集合管、原料气总管均采用恒力弹簧吊架支撑。

1．2炉管情况制氢装置转化炉设备的相关参数在制氢装置转化炉中，整个反应过程呈现一种极为强烈的吸热反应，其中涉及到的所有热量均是由气体燃料烧嘴所提供的。

本次实验的过程中制氢装置转化炉采用的是顶烧厢式炉结构，其中燃烧器布置在辐射室的顶部，并且转化管受热形式为单排管受双面辐射，其中制氢装置转化炉的外形尺寸为：13.2mm×16.5mm×30.3m。