甲醇转化炉下集气管异径管接头裂缝及其修补工艺.pdf

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甲醇转化炉下集气管异径管接头裂缝
及其修补工艺
周武强吕毓較
中化二建集团有限公司山西太原030021
摘要阐述了转化炉下集气箱异径管接头裂缝事故的调研、检测、修补等情况,依据现场状况、裂缝状态及金相分析,结合
高铬镍不锈钢焊接裂缝生成的理论,对异径管焊接头产生裂缝原因进行了全面的分析,从而提出了行之有效的异
径管接头裂缝修补方案。对同类产品的施焊、修补有实际应用的指导意义,对转化炉下集气箱系统管路的热膨胀及
异径管接头设计有一定的参考价值。
关键词转化炉下集气箱异径管接头裂纹修补工艺
中图分类号TE963文戴标识码B文章编号1672-9323(2012)03-0079-05
内蒙古某甲醇装置转化炉下集气箱与“猪尾巴”管之间的异
径管接头,在投运半年后出现第一条裂缝,管内转化气外泄燃
烧,当时曾对其作过焊补紧急抢修,后来继续运行中又陆续出现
了多处裂缝,于2006年8月被迫停产检修。
对转化炉下集箱异径管接头裂缝的调查、检测、分析,以及
修补方案的讨论与实施的全过程加以整理、阐述,以供转化炉制
上見已曾
造、安装、检修、现场焊接、化工生产及设计有关技术人员参考。
1转化炉工况及结构简介
转化炉是甲醇生产装置中的核心设备,炉内装有288根竖
向转化炉管,炉管材质为40K高铬镍铸管,管内满装甲醇气转
化触媒。炉管上端伸出炉顶用弹簧吊架固定在钢结构横梁上(见
图1转化炉管上部吊架结构
图1),弹簧吊架起到承担炉管全部重量和消除部分热膨胀位移
的作用;炉管下端伸出炉底,用“猪尾巴”管通过异径管接头与下
集气箱(①g200的高铬镍管)相连;炉管伸出炉顶和炉底的部位
装有与炉体密封固定的套管,炉管与套管之间用耐高温纤维填
料密封,当炉受热膨胀伸长时能上下移动。转化炉工作时天然气
从下集气箱(管)经过“猪尾巴”管进入转化炉管,再由上部“猪尾
巴”管汇集到上集气管引出。
转化炉内是燃烧的天然气火焰,炉膛温度高达1360℃;炉
管内介质为易燃易爆的天然气和转化气,工作压力4.5MP,下
部工作温度750~800℃,管内转化气出口温度达960℃,转化管
在运行中受热膨胀伸长,上下“猪尾巴”管的功能除了起联通作
图2转化炉下部的下集气管及猪尾巴管
用外,将其弯曲成盘蛇形就是为了消除和减少转化管与上下集根“猪尾巴”管相连(见图2、3、4)。异径管接头与下集气管的焊缝
气管之问的热膨胀应力和变形。
在制造厂焊接,与“猪尾巴”管的对接焊缝在现场采用手工氩气
下集气箱(管)横卧在管座上,两侧通过异径管接头与十余保护焊进行焊接。异径管接头为锻制机加件,材质为
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多集中在转化炉中部炉底的异径管接头上。
焊缝的“猪尾巴”管伵热影响区未发现任何裂缝或裂纹迹象。
2.3异径管焊接接头裂缝区的金相分析
为了进一步了解焊接接头的微观情况,对异径管接头裂缝
区做了覆膜金相分析,据内蒙古锅检所提供的覆膜金相报告(见
图S、6、7、8),可以看到
近缝的高温热影响区出现2~3级的粗大晶粒,显微组织均
图3转化炉下集箱(管)冷态上移
?向C取探
2它
图5焊缝溶合线处金属
(图中左側白色区城为焊缝组织。)
图4裂缝全部位于异径管接头上方
Cr20Ni32Nb,与“猪尾巴”管相似,外径60/38mm,内径
Φ28mm,猪尾巴管规格为φ38×5mm,材质均为 Incoloy800H
Cr20Ni32)高铬镍低碳奥氏体不锈钢。原设计要求管材与管接
头均由国外进口,实际异径管接头系国内上海某大学实习工厂
小
自产。造成转化炉泄漏的裂缝全部出现在离焊鏠3~8mm的异
径管接头上。
根据现场墈查、裂缝位置、覆膜金相、焊工询查及原始施焊记
路
图6异径管接头母材金属组织
录等进行综合分析,评估可能产生裂缝的原因,且根据高铬镍奥氏
(奥氏体晶粒6~8级)
体不锈钢的焊接特性提出现场焊接修补工艺,并对“猪尾巴”管的
热膨胀设计和异径管接头的供货状态提出质疑,提请有关方考虑。
2现场勘查、检测实录
2.1下集气箱(管)的冷态位移
在停产检修的现场可以看到,几乎所有的下集气管发生了
不同程度的位移,普遍向上方抬起100mm左右(见图3)。说明
运行中“猪尾巴”管的膨胀量已超过了设计预定值,在高温状态
下产生了塑性变形,冷却后管系统收缩将下集气管抬起。造成该
图7主裂缝边缘区域众多显微裂纹形貌
现象的原因可能是“猪尾巴”管的弹性变形量小于实际热膨胀
(图片下放黑色区域为主裂缝)
量,或运行曾出现超温现象。
覆膜金相腐蚀液:王水;金相照片放大:150X。
2.2裂缝的所在位置、形态及数量
f“い
在现场对所有下集气异径管接头进行了100%的表面渗透
(PT)检测,共发现95个异径管接头存在裂缝或裂纹迹象(包括
以前发现及已处理的裂缝),占全部管接头总数的三分之一。裂
缝位置全部在管接头变径机加处上方“10-12-2点”(时钟坐标)
的部位,离异径管接头环缝熔合线约3~8mm处(见图4),接近
异径管接头外部变径坡口机加拐点,属焊接接头的热影响区。裂
缝呈环向分布,与熔合线平行,长度和深度不一。在进行表面渗
多
透检测时,凡显现红色的部位,用手提角形砂轮磨光机打磨,接
图8距熔合线7~8mm范围内有众多
着再做渗透检测,直至裂纹迹象完全消失为止。较严重的裂缝大
与熔合线平行的显微裂纹
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