一段转化炉炉管全寿命周期运行总结

作者：张仕奇。

作者简介：张仕奇，男，1990年2月出生，本科学历，工程师，2013年毕业于辽宁石油化工大学化学工程与工艺专业，现在阿克苏华锦化肥有限责任公司合成车间从事设备管理工作。

摘要：介绍合成氨装置一段转化炉炉管的改造更新情况，从炉管金属组织在不同服役时间的状态、炉管材质、使用过程中可能对炉管寿命产生影响的主要事件、不同有害因素对炉管使用寿命的影响等方面进行了分析探讨，提出了炉管运行调整中应注意的事项。

关键词：一段转化炉 炉管材质 金属组织 过热损伤 使用寿命

1 概述

     阿克苏华锦化肥有限责任公司一段转化炉为凯洛格型合成氨工艺转化炉，由辐射段、对流段和通风系统组成，采用强制通风方式，炉膛辐射段有378根炉管，分成9排，每排42根炉管底部与下集气管连通，在每根下集气管中部有1根上升管，通过下集气管汇集工艺气体沿上升管引至炉顶的输气总管，通过输气总管将气体送至二段转化炉，工艺流程如图1所示。

图1 一段转化炉流程

     在2009年9月对全部炉管进行改造更新，将原厚壁管更换为薄壁管，下集气管及上升管也同步进行更新。新炉管内径为88mm，壁厚为13.2mm，管心距为260.35mm，材质为HP40-Nb M，设计壁温为910℃，设计压力为3.6MPa，设计寿命为10×10⁴h，转化炉横截面如图2所示。

     转化炉工艺气入口温度为512℃，出口温度为822℃，辐射段为顶烧式，由160个顶部烧嘴提供转化反应所需热量，炉管内的天然气和蒸汽在镍催化剂作用下吸收炉内燃烧热量发生转化反应，炉体结构布置如图3所示。

     2022年8月，炉管全部更换，累积服役时间约为11×10⁴h。一段转化炉是合成氨装置的核心设备，任何1根炉管的损坏都会导致整个装置停工，甚至引发火灾爆炸等安全事故，因此炉管全寿命周期运行状况分析对指导生产具有重要意义。

2 炉管材质概况

     合成氨装置一段转化炉与石油化工生产中的制氢转化炉均采用烃类水蒸气转化法，在特定温度、压力、催化剂作用下，天然气或轻质烃类与水蒸气发生转化反应得到氢气，炉管长期在高温、高压的恶劣工况下服役，受催化剂装填、工艺操作、燃烧器状态、炉管本身材质等多方面因素影响，极易引起炉管局部过热，使炉管材质性能迅速衰减以致发生蠕变、弯曲甚至开裂失效。早期炉管材质多为HK40高温厚壁管，管壁厚度达到20mm左右，在高温状态下由于管内外存在较大温差致使受热膨胀不均匀，在管内壁产生较大的压应力，管外壁产生较大的拉应力，在内外应力的作用下，该材质极易发生损坏。另外因管壁较厚，导致热效率较低，严重制约转化效率。随着材料科学的发展，以HK系列材料为根基发展生产的HP系列耐热合金钢开始应用在转化炉上，并逐渐取代了HK系列炉管，为了增强炉管的高温强度及韧性，在HP系列基础上增加了铌、钨、钼、钛等合金元素，形成了一系列的合金炉管钢种牌号，其中HP40-Nb为一种炉管常用材料，对应国内牌号为ZG40Ni35Cr25Nb，具有良好的抗高温蠕变性能、抗渗碳、抗氧化能力，用作转化炉、裂解炉等炉管或炉内构件时使用温度最高达1 100℃，抗氧化温度上限达1 200℃^[1]。HP40-Nb炉管材质成分如表1所示。

3 重要生产事件

3.1 催化剂更换

     该炉管自2009年9月开工投入运行以来，直至2022年8月全部更换，在全部服役周期内累积使用了3批次催化剂：①2009年随炉管更换进行的装填；②2013年随装置增产改造进行的更换；③2019年因催化剂使用寿命耗尽，转化率下降，能耗升高，影响装置的正常生产运行，而对其进行更换。

     一段转化炉催化剂一般使用寿命为3~4a，受催化剂本身强度、装填质量、工艺操作等因素影响而不尽相同，2013年更换的催化剂运行效果最好。该批次催化剂从更换开始，累积在线服役时间接近6a，在运行过程中表现出良好的催化活性和稳定性。从选择适合西北地区油气特性的具有高强度、高选择性、高稳定性、高活性的优质催化剂，到过筛、空管检查、称重、分层装填、振捣、压差测定等，正确装填催化剂对充分发挥其功能和延长使用寿命具有重要作用。工艺条件控制更是直接影响催化剂寿命的决定性因素，运行过程中的超温、中毒、析碳等不良因素对催化剂寿命都会造成影响，若不能及时发现并处理，甚至造成整炉催化剂报废。因此在生产操作中需严格控制操作温度，防止催化剂发生熔结或粉化。严密监测入口原料气硫含量，防止催化剂中毒。严格控制水碳比，并定期对仪表分析系统进行校验，防止发生析碳。以上措施在最大化延长催化剂使用寿命的同时，对延长炉管的使用寿命同样具有重要意义，催化剂装填不均或质量不佳，以及超温、中毒、析碳等不良反应发生所造成的后果均是催化剂效能降低，管内局部转化反应变弱，不能及时将管外传递的热量消耗，造成炉管局部超温形成花管或亮斑，若长期在此种工况下运行，将造成炉管局部超温劣化蠕胀变形，甚至开裂爆管，导致炉管失效。

3.2 燃烧器更换

     2013年，为满足装置扩产及环保需求，对一段转化炉的炉顶烧嘴进行更新改造，160个顶部烧嘴全部更换为低氮燃烧烧嘴。该批次烧嘴按照合成氨装置增产50%的产能需求进行设计制造，但其存在高效工作范围窄、操作弹性小的缺陷。在装置负荷较低的状态下，燃烧器达不到最佳工况，燃烧效果不佳，存在火焰飘忽、发散无力等问题，常态低负荷下可维持运行且对设备影响不大，2020年随着生产负荷提高，火焰宽度急剧扩大，强度增强，刚猛的尾焰扩展至两侧炉管迎火面，发生舔烧炉管的现象。2021年对该批烧嘴进行重新设计改造，调整其高效工作范围以适应频繁的负荷调整，同时对烧嘴喷头重新进行外形及结构设计，更换后燃烧效果得到大幅度提升，火焰短促明亮、刚度好，不再舔烧炉管。但由于烧嘴更新改造前近一年时间的高负荷生产阶段，原有烧嘴不良的燃烧火焰高温区已经对炉管中上部迎火面造成了难以挽回的损伤，对炉管的使用寿命产生了至关重要的影响。火焰舔烧炉管产生局部的高温可能破坏催化剂载体的强度，导致催化剂碎裂粉化、活性降低，从而使得转化反应速度减慢，吸热量减少，这又反作用在炉管上，造成管壁温度升高，局部过热。在观察炉管运行状态时，可见炉管中上部受烧嘴尾焰影响区域，呈现明显的带状高温区，如图4所示。

     除此之外在服役过程中，催化剂搭桥、结焦等原因也会导致局部过热，过热温度高达1 100℃。这种局部过热现象会导致炉管使用寿命极大降低，严重时直接导致炉管失效^[3]。

3.3 一段转化炉开、停车次数

     自新炉管投用至更换期间，一段转化炉累计开、停车16次。对炉管而言，每次开停车温度循环变化1次，在运行阶段管壁由于内部介质吸热作用，在管壁内、外侧存在一定温差，热膨胀不一致，将导致管壁存在一定热应力，在开、停车阶段，应力急剧变化将对炉管性能产生较大影响。由频繁的温度循环变化导致应力循环变化会引发金属材料的热疲劳，金属材料的内部应力变化首先引发金属表面结构产生不均匀的微观塑性变形，在塑性变形应力最集中的部位最先出现微小裂纹，这种损伤不一定会导致管壁泄漏，但组织上的缺陷会使该部位管壁的综合性能下降，尤其在外壁受高温作用碳化物析出，导致强度降低时，两种作用叠加，促使炉管蠕胀鼓包甚至穿透性泄漏，给炉管带来致命伤害。对于HP40-Nb材质而言，本身具有较高的抗蠕变、抗氧化、耐高温性能，在运行阶段一般管内壁温可达700℃左右，该温度下的有限次数循环开、停车温度变化对全奥氏体基体的炉管相对损伤较弱，但这种热疲劳损伤不可逆转，并会持续累积，频繁的开、停车会放大不良影响，因此在生产中应尽量减少开、停车次数，并控制升、降温速度，减少剧烈的温度变化冲击。

4 炉管运行状态分析

     一段转化炉是合成氨装置的核心设备，378根炉管在900~1 200℃、2~3.6MPa的苛刻条件下服役，任何1根发生故障，都会导致整个装置停车，损失巨大，因此对炉管损伤情况进行跟踪及掌握尤为重要。除日常巡回检查外，每个大修期间都应对炉管进行宏观检查与无损检测，借以评估炉管能否在下一服役周期内安全可靠运行。因离心铸造炉管的结构特性，通常以超声透射技术对炉管进行全面检测，辅助以金相检查、蠕胀测量等其他手段，全方位对炉管损伤情况进行分级评定，炉管损伤分级及含义如表2所示。

     一段转化炉炉管自2009年投用以来，分别于2010年、2013年、2016年、2019年、2020年、2021年进行过6次全面评级检验。至2013年炉管服役时间约为3×10⁴h，超声爬管检测评级除5根管为B_下级外，其余全部为A级，外观无明显弯曲、氧化，表面杨梅粒子完整，金相显示材质晶界及晶内有碳化物析出沉积，原铸态骨架状结构晶界附近仍存有大量二次碳化物弥散分布，组织状态良好，如图5所示。

     至2016年炉管服役时间约为6×10⁴h，超声爬管检测评级大部分炉管状态为B_下级，个别炉管损伤程度仍可达到A级，同时有个别炉管评级为B级管，外观情况尚好，极少数炉管存在轻微蠕胀，金相检验显示材质原奥氏体基体晶界的骨架状结构基本消失，弥散分布的二次碳化物消失并沉积在晶界，导致晶界粗化，如图6所示。表明炉管组织已经发生轻微劣化，但对炉管强度尚不会产生较大影响，仍处于较好的服役状态。

图6 服役6×10⁴h炉管金相

     至2019年炉管服役时间达到8×10⁴h，超声爬管评级绝大部分炉管状态为B_下级，有近20%的炉管评为B级，金相检验显示被检测部位炉管组织中的晶界原骨架结构完全消失，已经完全转变成网链状，原分布在晶内的碳化物在晶界附近沉积，导致晶界呈粗大网链状，如图7所示。但在晶界内尚未发现微小蠕变空洞及蠕变裂纹，表明炉管材质已经劣化，但仍处于使用寿命中期阶段，在正常的操作条件下仍可安全使用。

图7 服役8×10⁴h炉管金相

     鉴于炉管的评级状况逐渐变差及使用时间的不断延长，在接下来的使用中加强了检测频次，2020年受生产负荷提升与烧嘴运行不良双重影响，检测时发现炉管在距离炉顶1.5m的位置向下，普遍存在长度约2m的管段外观颜色发黑，表面氧化严重，杨梅粒子大量脱落，存在轻微蠕胀的情况，但微观检测未发现明显的裂纹缺陷，超声爬管评级大部分评为B级管，个别损伤严重的评为B_上级。对该部分管段金相检测显示晶界碳化物更加集中，呈现较大的颗粒状或球状，晶内碳化物明显消失，如图8所示。此种情况表明，此段转化炉管材质组织已经发生严重改变，基体强度下降，抗高温性能和抗蠕变性能将可预见性的显著降低，除此之外，炉管其余部位材质尚可，与历史检测情况相当。炉管虽能继续使用，但需严格控制操作指标，在使用过程中加强跟踪检验，具备条件可考虑对炉管进行取样分析或者局部更换准备。

图8 受损管段金相

     至2021年炉管服役时间达到10×10⁴h，期间实施了针对烧嘴状态不佳导致炉管中上部材质快速劣化而采取的烧嘴改造，烧嘴改造虽然取得了较好效果，但炉管累积的材质损伤已经不可逆转，在此次检测中发现十余根炉管中上部已经发生明显儒胀鼓包，被评级为存在严重损伤不能安全运行的C级管，为防止其在运行过程中突发泄漏或爆管，对该部分炉管进行了堵管处理。其余大部分炉管损伤严重，存在中上部受热面杨梅粒子全部脱落，表面呈现亮黑色的严重氧化，存在不同程度的轻微蠕胀变形，金相检测显示奥氏体基体晶内碳化物已经完全消失，晶界碳化物聚集，材质已经彻底劣化，如图9所示。

     对封堵的炉管进行取样评估，分别进行室温拉伸试验、高温拉伸试验、高温蠕变持久试验、弯曲试验、冲击试验，检验结果表明抗拉强度、屈服强度显著降低，在1 050℃、25MPa高温蠕变持久试验条件下，炉管持久断裂时间远低于相关标准中规定的最小断裂时间，在弯曲试验中试样均发生断裂，表明材质韧性下降，已经转变为脆性材料。本次检验表明炉管损伤程度较高，显微组织劣化严重，材质本身的抗氧化性、抗蠕变性能、高温持久强度消耗殆尽，已经处于使用寿命末期，需监控使用。

     炉管在服役期间连续跟踪的无损检测是非常有必要的，其中超声波透射技术主要是针对HK40材质的厚壁炉管研发设计，技术纯熟准确度较高，随着新材料的应用及炉管国产化，炉管壁厚及管径各不相同，尤其薄壁管的应用导致爬管检测时超声透射截面减小，检测区域变得非常狭窄，准确性大打折扣，同时由于HP材料的专项研究较少，专门的检测数据与分析经验不充足，导致其原有的评级体系准确性不高，对投用时间较短的炉管其检测结果参考意义不大，若服役时间接近炉管寿命晚期阶段，利用大修周期进行超声检测仍有必要，因为该种方式仍是目前可实现对炉管覆盖面积最大的检测方式，其检测结果可提醒技术人员对回波异常的管段给予关注。

     无论什么原因造成的炉管损伤，其实质都是组织的变化，因此对炉管进行金相检验非常有必要，金相分析可准确反映材料组织的变化情况，给出定性分析结论，并且可以在炉管的某个区域逐年进行连续分析，以跟踪材质的劣化进程，便于对其剩余使用寿命进行评估。但金相分析取样面积小，耗费时间长，操作精细度要求高，因此取样点应具有一定的代表性。

     硬度检验、常温冲击试验、弯曲试验等可以分析材料的力学性能变化情况，高温持久试验通过模拟高温加载条件，在一定温度与载荷强度作用下，通过断裂时间反应材料的损伤情况，理论上通过温度与载荷状态的模拟实验可粗略估量炉管的剩余使用寿命，但一般正常运行阶段不具备截取试样条件，当有换管或堵管等非常规操作机会时，截取试样进行分析对预估剩余寿命和指导生产具有重大意义。

5 影响使用寿命因素

5.1 制造因素

     高温合金铸造炉管采用离心浇铸而成，制造工艺控制不严可能导致熔炼钢水中的杂质不能在离心浇铸时排到管的外表面，而是呈螺旋状分布在基体组织中，这将成为铸管的薄弱点，在高温运行时抵抗不住应力的影响，率先产生裂纹损坏。此外企业在制造过程中为节省成本，母材中各有效元素含量一般会控制在标准下限，这也将对炉管的抗氧化性、抗蠕变能力及高温强度产生一定影响。

5.2 升、降温速率控制

     开、停车过程中正常的升、降温一般不会对炉管产生严重影响，但在异常情况下的应急处置时，会面临超温或急速降温的过程，这可能造成炉管外壁所受的内部应力发生急剧变化，对组织造成疲劳损伤并逐渐累积，在经受频繁的温度冲击后，造成管壁损坏开裂。同时急剧的温度变化也会引起催化剂载体内部应力的骤变，导致催化剂粉化碎裂，增大管内阻力，使气体流量减少，导致炉管局部过热蠕胀损坏。生产过程中应尽可能平稳开车，同时减少紧急停工次数，延长炉管使用寿命。

5.3 操作控制

     炉管在长期运行过程中会因为应力疲劳、热疲劳、蠕胀裂纹、弯曲变形、组织劣化、强度韧性降低等多种原因发生破裂或断裂失效，众多导致炉管直接失效原因发生的基础都有高温的影响，高温下材料组织表面的碳化物氧化流失，内部二次碳化物不断沿晶界析出，导致材料脱碳组织劣化，引起材料的强度、硬度、韧性、抗疲劳性能降低，最终引发破裂。因此在日常操作过程中需严格控制操作温度，及时处理因催化剂或烧嘴引发的红斑、亮管、花管、舔管问题，避免炉管发生局部超温过热，造成材质损伤。

6 结束语

       从一段转化炉炉管服役的11×10⁴h全寿命周期的连续检测过程中可以发现，在（8~10）×10⁴h阶段，负荷的提升叠加烧嘴舔管的影响使炉管材质发生了快速劣化，直接导致炉管使用寿命大幅度缩短。在生产中除严密监测炉管运行状态和定期跟踪检验外，还要重点关注燃烧器烧嘴的工作状态，尽量避免偏烧舔管，每次负荷调整后应现场确认烧嘴燃烧状态，有检修机会应对烧嘴进行疏通，清除积碳确保燃烧状态正常。在炉管运行过程中温度是最重要的影响因素，即使很小区域的局部过热对炉管来说也是致命的，无论是蠕胀开裂还是应力腐蚀裂纹或是热疲劳断裂，其根本原因均是基体组织首先发生变化，损伤逐渐累积破坏组织的稳定性和强度导致炉管鼓包开裂，丧失使用功能，因此在装置生产中应切实做好设备管理，严控操作指标，合理确定升、降温速率，以此来保障炉管的安全运行，最大化的延长其使用寿命。

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