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天然气转化资料求助? 0、 引言 这次定购的明年大修物资中一批管径为φ33.4×3.4mm,材质为astma312tp32h的上尾管是炼油四部制氢转化炉的大修物资。该转化炉是由原化肥合成氨装置一段转化炉局部改造而成的大型工业炉,该炉有两个平行排列的辐射室,每个辐射室有五组竖直安装的离心浇筑炉管。原料气由对流段换热器预热后,经上集气管分别进入a、b两室的上发夹管,然后分别进入a、b两室各145根转化管完成转化反应,反应后的气体再经过相对应的下发夹管进入10个下分集气管,最后集合在下集气总管输送去二段转化炉。 2000年6月该装置一直处于停车保护状态,目前,该工业炉发现共有26根上发夹管焊缝热影响区有裂纹,上集气管、上发夹管、炉管等构件的连接如图1所示。所以计划在开车前更换部分上尾管,以保装置的安全。但分析清楚裂纹产生的原应,对该装置的安全运行有着极其重要的作用。 图1:上发夹管与上集气管及炉管的连接示意图 1、 裂纹形状及分布状况 上发夹管的裂纹主要分布在焊缝热影响区和熔合线附近。且裂纹均由远炉膛侧向近炉膛侧发展,裂纹外貌见图2、图3。 图2:上发夹管与上集气管承插焊口 图3:上发夹管与下发兰对接焊口 处的裂纹(已扩展到2/3管周) 处的裂纹(已扩展到1/2管周) 本次检测对上发夹管100%着色检测,裂纹的分布情况详见表1。 表1 裂纹在上发夹管的分布情况 琴 数 no.1 no.2 no.3 no.4 no.5 合计 发生裂纹的根数 a室 上焊缝 1 0 1 2 2 6 下焊缝 0 0 0 0 0 0 b室 上焊缝 0 0 0 11 2 13 下焊缝 1 5 0 1 0 7 2、 原因分析 2.1上发夹管受力情况分析 1990年,为改变转化管在运行中弯曲变形严重的弊端,对炉管的支撑方式作了重要的改造,转化管原设计由炉管底部支撑座独立支撑,整个炉管及触媒的重量(557kg+100kg)完全由下部支撑座支撑,这样炉管在高温下极易产生弯曲应力及震动,致使炉管弯曲,触媒震碎,导致管内气流阻力增大,使炉管超温。90年将炉管更换为美国生产的wiscalloy25-35nb管后,采用了立式恒力吊架(型号为lh15)在上面吊着炉管上法兰, lh15立式恒力吊架是按照jb2654-81技术条件生产制造,每组29根炉管由14个载荷为1228kg及一个载荷为591kg的立式恒力弹簧吊架吊挂在转化管的上法兰处,详见图4。wiscalloy25-35nb管的热态伸长量约为170mm,而每个弹簧吊架最大的垂直位移为190 mm,弹簧吊架正常拉力为炉管及触媒总重量的95%,因此弹簧吊链不会将炉管吊离下支撑座,而炉管总重量的5%仍由下支撑座支撑。这种改造,大大减小了由于炉管自重和介质冲击而引起的炉管弯曲应力及炉管震动,对延长炉管的寿命起到了很好的保护作用。上尾管在冷态时的平衡状况下, 当炉管吊夹的拉力小于炉管总重的时候(正常操作状态),上发夹管的受力情况很简单,只受重力和拉力h1。参见图5(图中g为上发夹管的重力,h1、v1、分别为1-1截面处的竖直方向和水平方向的支反力、m1为1-1截面处的弯距。v2为2-2截面处水平方向的支反力。n为炉管和弹簧拉链作用在上发夹管下端的竖直向上的力)。      图4:炉管被恒力弹簧吊架吊住          图5:上发夹管受力简图      对1-1截面: σm1-1=0 m1-g*1256.88-v2*2620=0             [1] v1=v2=0          [2] h1=g                 [3] 由[1]-[3]可得: m1= g*1256.88-h1*382 =(1256.88-382)*g 这个力矩很小,由其引起的内应力也很小,在冷态下和热态下都对上发夹管引不起损害。 但当恒力弹簧吊架操作不正确的情况下时,弹簧支架的拉力大于或远大于炉管的总重力的时候,弹簧吊夹和炉管给上尾管一个向上的力n,且产生如图5所示支反力,在这种情况下,其受力状况发生很大变化,同上可得: m1= g*1256.88+v1*1620+(n-g)*382 [4] 图6:上发夹管受到向上的力n变形示意图 图7:上发夹管外表面金相分析 对上尾管本身而言,在受压力n的情况下,上尾管发生弹性变形,变形前后如图6所示,根据应力叠加的原理,结合文献[1]可知,对于上发夹管存在两个危险截面1-1,2-2。由于压力n的增大及上尾管严重的弹性变形,在两个危险截面产生较大应力,虽然我们上不能测出准确的应力值,但可以定性地分析出此时上尾管的受力已明显增大了许多。且危险截面的远炉膛侧管壁呈拉应力。 同时,焊缝的热影响区本身不可避免的存在着应力集中,通过应力叠加,危险截面远炉膛侧管壁呈现出较大的拉应力。 2.2上尾管受到的压力n的存在已被证实 炉管上法兰边缘距炉顶钢板的距离d原设计值为135mm,也就是说,在冷态下,当d=135时,表明炉管下端没脱离支承座,但本次大修时,拆除弹簧吊夹后的测量值都大于135 mm,几乎每根管都有不同程度的升高,抽查部分转化管的d值见表2,这说明炉管已被提起脱离了下支撑,当冷态时,拆除弹簧吊架后,炉管仍然不能复位,d值仍大于135 mm,这是由于炉管下部的陶粒滚入炉管支撑座,将炉管撑起的缘故。往常大修中,检修单位凭借经验,在冷态下将弹簧吊架调紧到用手左右推不动为止,年复一年,炉管被逐渐拉高,炉管下部的陶粒继续滚入炉管支撑座,所以当冷态下拆除弹簧吊架后,炉管仍然被陶粒撑起,上发夹管仍然受到一个向上的压力n。 表2:炉管上发兰面据炉顶钢板的距离d值 管号 a15# a19# a25# a35# a45# a55# b15# b25# b35# b45# b55# d值 140 142 150 148 153 162 143 151 149 148 158 2.2 材质分析 上发夹管的材质为astma312tp321h相当于国内cr18ni10ti,属奥氏体不锈钢。这种材质易发生晶间腐蚀和应力腐蚀,对上发夹管外表面取点进行金相分析,结果如图7, 晶间腐蚀只发生在表面0.2-0.3mm的表面层。对裂纹附近即焊缝热影响区和远离焊缝的部位进行化学成份分析,见表3。 表3 astma312tp321h材质成份分析 元素成份 ω(b)/% 部位 c cr p s ti ni 焊缝热影响区 0.062 18.32 0.017 0.012 0.2 9.64 远离焊缝区 0.063 17.72 0.020 0.014 0.41 11.56 化学成份分析表明,焊缝热影响区和远离焊缝区的材料的成份都符合astma312tp321h不锈钢的成份要求,但是焊缝热影响区的ti/c偏低,远离焊缝区的ti/c符合要求(根据国标ti≥5×c%)。由于ti/c偏低,降低了材料抗腐蚀的能力。 2.3 裂纹主要特征及断面分析 2.3.1裂纹主要特征分析 根据对裂纹的分析,可以看出裂纹在宏观上有以下几个特点: 1) 在整个化肥生产过程中,没有发生过开裂事故;而在停工后四 年时间内出现开裂现象。 2) 裂纹发生在上夹发管焊缝热影响区内,距离熔合线5~20mm范围内。 3) 裂纹粗大,裂纹的发展呈由外到里发展。 4) 裂纹断口表面凹凸,没有明显的塑性变形,属于脆性断裂。 5) 管内表面光滑,无明显的腐蚀现象,管外有明显的腐蚀缺口(如图8),图9很明显地看到裂纹起源于外壁,由外向里发展。 图8:裂纹断口 图9:裂纹断样 2.3.2金相截面观察 对断口截面观察,金相图见图10,图11,可以看出,二次裂纹均呈延晶开裂,除图10,图11外,在其他各场均观察到大量的沿晶裂纹,同时也观察到,裂纹从外壁开始,沿晶界向内发展。 图10:金相截面之一 图11:金相截面之二 2.3.3断面扫描电镜形貌分析 扫描电镜形貌观察中,看到端口有大量块状物,详见图12、图13。 图12: 电镜形貌之一 图13电镜形貌之二 2.4微区能谱分析 分别对断口、金属基体、管内壁和管外壁进行能谱分析,结果如表4。 表4 能谱分析各元素含量表(w%) 元素名称 测量位置 外壁 断口 金属基体 内壁 c 1.56 0.85 0.34 2.32 o 16.71 21.12 \ 20.21 si 1.00 0.58 0.97 0.28 s 1.01 1.37 \ 0.15 ti 0.52 0.98 0.35 \ cr 17.85 12.93 19.03 0.78 mn 1.19 1.45 1.83 0.39 fe 51.93 53.32 65.84 74.06 ni 6.92 7.03 11.64 0.45 cl 0.25 \ \ 0.21 其他元素 1.05 0.37 \ 1.15 不锈钢应力腐蚀开裂通常是由介质中含有氯化物或硫化物而引起的。由表中可以看出,断口的成份分析中,没发现氯,而硫元素在可检测元素中质量份数为1.37%(在断口另一微区能谱分析中,也没检出氯,硫元素的质量分数为0.95%),在金属基体,不含可检测量的硫元素和氯元素,管的内壁和外壁均有硫和氯元素,外壁的硫元素含量(质量份数为1.01%)高于内壁的硫元素含量(0.15%),内外壁的氯元素含量均较低(质量份数分别为0.21%和0.25%)。由此可见,上发夹管焊缝腐蚀开裂是由硫化物所引起的沿晶型开裂。 2.5 腐蚀环境分析 上发夹管有遮雨棚,管外都有硅酸铝保温材料,外包铝皮。正常生产情况下,上发夹管的工作温度为450℃,整个上发夹管处于高温干燥的环境中,不会存在腐蚀溶液,但由于装置停产,上发夹管处于常温环境下,空气潮湿或雨水进入保温材料,造成水分长期蒸发不出来,这使得材料周围有了腐蚀溶液形成的条件。又加上硫化物来源广泛,且装置临近炼油装置,空气环境中含有硫化物是不可避免,这样,很有可能造成硫化物的腐蚀环境。 3、结论 由以上分析可以看出,在化肥厂运行期间,由于没有电解质溶液的存在而不会发生腐蚀。在停工过程中,由于雨水的浸入或空气潮湿,局部产生了电化学腐蚀环境,又加上应力的存在,应力腐蚀和晶间腐蚀得以发生。腐蚀会在热影响区的敏化区内优先进行,由于存在较大应力的危险截面,且危险截面ti/c偏低,抗间腐蚀的能力弱,所以材料在这个位置首先发生应力腐蚀断裂。 4.防护措施及建议 1)逐个吊起炉管,将炉管下支撑座内的陶粒清除干净,使炉管在冷态下复位。 2)重新调整恒力弹簧吊架的拉力,严格控制冷态下炉管法兰与炉顶钢板的 距离d值,严禁炉管被吊起。以免造成上发夹管的变形,产生很大的应力。 3)编制炉管恒力弹簧吊架的操作规程,纳入iso9000管理体系,规范操作,严禁在热态下凭经验调整恒力弹簧吊架的拉力。 4)计划对炉底的炉管支撑及绝热部件进行改造,取消堆放的陶粒,例如可以采用可随炉管伸缩的阻气绝热袋装置,以免再造成炉管被陶粒支撑起而不能复位。 5)在设备长期停用时,尤其是梅雨季节,拆去恒力弹簧吊架拉链,必要时拆去上发夹管保温。 6)注意设备的维护保养,作好防雨措施。查看更多
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简介
职业:安徽省宿州市贯华化工有限公司 - 人事职员/行政职员
学校:茂名学院 - 化工与环境工程学院
地区:山东省
个人简介:人生贵知心,定交无暮早。查看更多
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