作者：張仕奇。

作者簡介：張仕奇，男，1990年2月出生，本科學歷，工程師，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)在阿克蘇華錦化肥有限責任公司合成車間從事設備管理工作。

摘要：介紹合成氨裝置一段轉化爐爐管的改造更新情況，從爐管金屬組織在不同服役時間的狀態(tài)、爐管材質、使用過程中可能對爐管壽命產(chǎn)生影響的主要事件、不同有害因素對爐管使用壽命的影響等方面進行了分析探討，提出了爐管運行調整中應注意的事項。

關鍵詞：一段轉化爐 爐管材質 金屬組織 過熱損傷 使用壽命

1 概述

     阿克蘇華錦化肥有限責任公司一段轉化爐為凱洛格型合成氨工藝轉化爐，由輻射段、對流段和通風系統(tǒng)組成，采用強制通風方式，爐膛輻射段有378根爐管，分成9排，每排42根爐管底部與下集氣管連通，在每根下集氣管中部有1根上升管，通過下集氣管匯集工藝氣體沿上升管引至爐頂?shù)妮敋饪偣埽ㄟ^輸氣總管將氣體送至二段轉化爐，工藝流程如圖1所示。

圖1 一段轉化爐流程

     在2009年9月對全部爐管進行改造更新，將原厚壁管更換為薄壁管，下集氣管及上升管也同步進行更新。新爐管內徑為88mm，壁厚為13.2mm，管心距為260.35mm，材質為HP40-Nb M，設計壁溫為910℃，設計壓力為3.6MPa，設計壽命為10×10⁴h，轉化爐橫截面如圖2所示。

     轉化爐工藝氣入口溫度為512℃，出口溫度為822℃，輻射段為頂燒式，由160個頂部燒嘴提供轉化反應所需熱量，爐管內的天然氣和蒸汽在鎳催化劑作用下吸收爐內燃燒熱量發(fā)生轉化反應，爐體結構布置如圖3所示。

     2022年8月，爐管全部更換，累積服役時間約為11×10⁴h。一段轉化爐是合成氨裝置的核心設備，任何1根爐管的損壞都會導致整個裝置停工，甚至引發(fā)火災爆炸等安全事故，因此爐管全壽命周期運行狀況分析對指導生產(chǎn)具有重要意義。

2 爐管材質概況

     合成氨裝置一段轉化爐與石油化工生產(chǎn)中的制氫轉化爐均采用烴類水蒸氣轉化法，在特定溫度、壓力、催化劑作用下，天然氣或輕質烴類與水蒸氣發(fā)生轉化反應得到氫氣，爐管長期在高溫、高壓的惡劣工況下服役，受催化劑裝填、工藝操作、燃燒器狀態(tài)、爐管本身材質等多方面因素影響，極易引起爐管局部過熱，使爐管材質性能迅速衰減以致發(fā)生蠕變、彎曲甚至開裂失效。早期爐管材質多為HK40高溫厚壁管，管壁厚度達到20mm左右，在高溫狀態(tài)下由于管內外存在較大溫差致使受熱膨脹不均勻，在管內壁產(chǎn)生較大的壓應力，管外壁產(chǎn)生較大的拉應力，在內外應力的作用下，該材質極易發(fā)生損壞。另外因管壁較厚，導致熱效率較低，嚴重制約轉化效率。隨著材料科學的發(fā)展，以HK系列材料為根基發(fā)展生產(chǎn)的HP系列耐熱合金鋼開始應用在轉化爐上，并逐漸取代了HK系列爐管，為了增強爐管的高溫強度及韌性，在HP系列基礎上增加了鈮、鎢、鉬、鈦等合金元素，形成了一系列的合金爐管鋼種牌號，其中HP40-Nb為一種爐管常用材料，對應國內牌號為ZG40Ni35Cr25Nb，具有良好的抗高溫蠕變性能、抗?jié)B碳、抗氧化能力，用作轉化爐、裂解爐等爐管或爐內構件時使用溫度最高達1 100℃，抗氧化溫度上限達1 200℃^[1]。HP40-Nb爐管材質成分如表1所示。

3 重要生產(chǎn)事件

3.1 催化劑更換

     該爐管自2009年9月開工投入運行以來，直至2022年8月全部更換，在全部服役周期內累積使用了3批次催化劑：①2009年隨爐管更換進行的裝填；②2013年隨裝置增產(chǎn)改造進行的更換；③2019年因催化劑使用壽命耗盡，轉化率下降，能耗升高，影響裝置的正常生產(chǎn)運行，而對其進行更換。

     一段轉化爐催化劑一般使用壽命為3~4a，受催化劑本身強度、裝填質量、工藝操作等因素影響而不盡相同，2013年更換的催化劑運行效果最好。該批次催化劑從更換開始，累積在線服役時間接近6a，在運行過程中表現(xiàn)出良好的催化活性和穩(wěn)定性。從選擇適合西北地區(qū)油氣特性的具有高強度、高選擇性、高穩(wěn)定性、高活性的優(yōu)質催化劑，到過篩、空管檢查、稱重、分層裝填、振搗、壓差測定等，正確裝填催化劑對充分發(fā)揮其功能和延長使用壽命具有重要作用。工藝條件控制更是直接影響催化劑壽命的決定性因素，運行過程中的超溫、中毒、析碳等不良因素對催化劑壽命都會造成影響，若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，甚至造成整爐催化劑報廢。因此在生產(chǎn)操作中需嚴格控制操作溫度，防止催化劑發(fā)生熔結或粉化。嚴密監(jiān)測入口原料氣硫含量，防止催化劑中毒。嚴格控制水碳比，并定期對儀表分析系統(tǒng)進行校驗，防止發(fā)生析碳。以上措施在最大化延長催化劑使用壽命的同時，對延長爐管的使用壽命同樣具有重要意義，催化劑裝填不均或質量不佳，以及超溫、中毒、析碳等不良反應發(fā)生所造成的后果均是催化劑效能降低，管內局部轉化反應變弱，不能及時將管外傳遞的熱量消耗，造成爐管局部超溫形成花管或亮斑，若長期在此種工況下運行，將造成爐管局部超溫劣化蠕脹變形，甚至開裂爆管，導致爐管失效。

3.2 燃燒器更換

     2013年，為滿足裝置擴產(chǎn)及環(huán)保需求，對一段轉化爐的爐頂燒嘴進行更新改造，160個頂部燒嘴全部更換為低氮燃燒燒嘴。該批次燒嘴按照合成氨裝置增產(chǎn)50%的產(chǎn)能需求進行設計制造，但其存在高效工作范圍窄、操作彈性小的缺陷。在裝置負荷較低的狀態(tài)下，燃燒器達不到最佳工況，燃燒效果不佳，存在火焰飄忽、發(fā)散無力等問題，常態(tài)低負荷下可維持運行且對設備影響不大，2020年隨著生產(chǎn)負荷提高，火焰寬度急劇擴大，強度增強，剛猛的尾焰擴展至兩側爐管迎火面，發(fā)生舔燒爐管的現(xiàn)象。2021年對該批燒嘴進行重新設計改造，調整其高效工作范圍以適應頻繁的負荷調整，同時對燒嘴噴頭重新進行外形及結構設計，更換后燃燒效果得到大幅度提升，火焰短促明亮、剛度好，不再舔燒爐管。但由于燒嘴更新改造前近一年時間的高負荷生產(chǎn)階段，原有燒嘴不良的燃燒火焰高溫區(qū)已經(jīng)對爐管中上部迎火面造成了難以挽回的損傷，對爐管的使用壽命產(chǎn)生了至關重要的影響?；鹧嫣驘隣t管產(chǎn)生局部的高溫可能破壞催化劑載體的強度，導致催化劑碎裂粉化、活性降低，從而使得轉化反應速度減慢，吸熱量減少，這又反作用在爐管上，造成管壁溫度升高，局部過熱。在觀察爐管運行狀態(tài)時，可見爐管中上部受燒嘴尾焰影響區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的帶狀高溫區(qū)，如圖4所示。

     除此之外在服役過程中，催化劑搭橋、結焦等原因也會導致局部過熱，過熱溫度高達1 100℃。這種局部過熱現(xiàn)象會導致爐管使用壽命極大降低，嚴重時直接導致爐管失效^[3]。

3.3 一段轉化爐開、停車次數(shù)

     自新爐管投用至更換期間，一段轉化爐累計開、停車16次。對爐管而言，每次開停車溫度循環(huán)變化1次，在運行階段管壁由于內部介質吸熱作用，在管壁內、外側存在一定溫差，熱膨脹不一致，將導致管壁存在一定熱應力，在開、停車階段，應力急劇變化將對爐管性能產(chǎn)生較大影響。由頻繁的溫度循環(huán)變化導致應力循環(huán)變化會引發(fā)金屬材料的熱疲勞，金屬材料的內部應力變化首先引發(fā)金屬表面結構產(chǎn)生不均勻的微觀塑性變形，在塑性變形應力最集中的部位最先出現(xiàn)微小裂紋，這種損傷不一定會導致管壁泄漏，但組織上的缺陷會使該部位管壁的綜合性能下降，尤其在外壁受高溫作用碳化物析出，導致強度降低時，兩種作用疊加，促使爐管蠕脹鼓包甚至穿透性泄漏，給爐管帶來致命傷害。對于HP40-Nb材質而言，本身具有較高的抗蠕變、抗氧化、耐高溫性能，在運行階段一般管內壁溫可達700℃左右，該溫度下的有限次數(shù)循環(huán)開、停車溫度變化對全奧氏體基體的爐管相對損傷較弱，但這種熱疲勞損傷不可逆轉，并會持續(xù)累積，頻繁的開、停車會放大不良影響，因此在生產(chǎn)中應盡量減少開、停車次數(shù)，并控制升、降溫速度，減少劇烈的溫度變化沖擊。

4 爐管運行狀態(tài)分析

     一段轉化爐是合成氨裝置的核心設備，378根爐管在900~1 200℃、2~3.6MPa的苛刻條件下服役，任何1根發(fā)生故障，都會導致整個裝置停車，損失巨大，因此對爐管損傷情況進行跟蹤及掌握尤為重要。除日常巡回檢查外，每個大修期間都應對爐管進行宏觀檢查與無損檢測，借以評估爐管能否在下一服役周期內安全可靠運行。因離心鑄造爐管的結構特性，通常以超聲透射技術對爐管進行全面檢測，輔助以金相檢查、蠕脹測量等其他手段，全方位對爐管損傷情況進行分級評定，爐管損傷分級及含義如表2所示。

     一段轉化爐爐管自2009年投用以來，分別于2010年、2013年、2016年、2019年、2020年、2021年進行過6次全面評級檢驗。至2013年爐管服役時間約為3×10⁴h，超聲爬管檢測評級除5根管為B_下級外，其余全部為A級，外觀無明顯彎曲、氧化，表面楊梅粒子完整，金相顯示材質晶界及晶內有碳化物析出沉積，原鑄態(tài)骨架狀結構晶界附近仍存有大量二次碳化物彌散分布，組織狀態(tài)良好，如圖5所示。

     至2016年爐管服役時間約為6×10⁴h，超聲爬管檢測評級大部分爐管狀態(tài)為B_下級，個別爐管損傷程度仍可達到A級，同時有個別爐管評級為B級管，外觀情況尚好，極少數(shù)爐管存在輕微蠕脹，金相檢驗顯示材質原奧氏體基體晶界的骨架狀結構基本消失，彌散分布的二次碳化物消失并沉積在晶界，導致晶界粗化，如圖6所示。表明爐管組織已經(jīng)發(fā)生輕微劣化，但對爐管強度尚不會產(chǎn)生較大影響，仍處于較好的服役狀態(tài)。

圖6 服役6×10⁴h爐管金相

     至2019年爐管服役時間達到8×10⁴h，超聲爬管評級絕大部分爐管狀態(tài)為B_下級，有近20%的爐管評為B級，金相檢驗顯示被檢測部位爐管組織中的晶界原骨架結構完全消失，已經(jīng)完全轉變成網(wǎng)鏈狀，原分布在晶內的碳化物在晶界附近沉積，導致晶界呈粗大網(wǎng)鏈狀，如圖7所示。但在晶界內尚未發(fā)現(xiàn)微小蠕變空洞及蠕變裂紋，表明爐管材質已經(jīng)劣化，但仍處于使用壽命中期階段，在正常的操作條件下仍可安全使用。

圖7 服役8×10⁴h爐管金相

     鑒于爐管的評級狀況逐漸變差及使用時間的不斷延長，在接下來的使用中加強了檢測頻次，2020年受生產(chǎn)負荷提升與燒嘴運行不良雙重影響，檢測時發(fā)現(xiàn)爐管在距離爐頂1.5m的位置向下，普遍存在長度約2m的管段外觀顏色發(fā)黑，表面氧化嚴重，楊梅粒子大量脫落，存在輕微蠕脹的情況，但微觀檢測未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋缺陷，超聲爬管評級大部分評為B級管，個別損傷嚴重的評為B_上級。對該部分管段金相檢測顯示晶界碳化物更加集中，呈現(xiàn)較大的顆粒狀或球狀，晶內碳化物明顯消失，如圖8所示。此種情況表明，此段轉化爐管材質組織已經(jīng)發(fā)生嚴重改變，基體強度下降，抗高溫性能和抗蠕變性能將可預見性的顯著降低，除此之外，爐管其余部位材質尚可，與歷史檢測情況相當。爐管雖能繼續(xù)使用，但需嚴格控制操作指標，在使用過程中加強跟蹤檢驗，具備條件可考慮對爐管進行取樣分析或者局部更換準備。

圖8 受損管段金相

     至2021年爐管服役時間達到10×10⁴h，期間實施了針對燒嘴狀態(tài)不佳導致爐管中上部材質快速劣化而采取的燒嘴改造，燒嘴改造雖然取得了較好效果，但爐管累積的材質損傷已經(jīng)不可逆轉，在此次檢測中發(fā)現(xiàn)十余根爐管中上部已經(jīng)發(fā)生明顯儒脹鼓包，被評級為存在嚴重損傷不能安全運行的C級管，為防止其在運行過程中突發(fā)泄漏或爆管，對該部分爐管進行了堵管處理。其余大部分爐管損傷嚴重，存在中上部受熱面楊梅粒子全部脫落，表面呈現(xiàn)亮黑色的嚴重氧化，存在不同程度的輕微蠕脹變形，金相檢測顯示奧氏體基體晶內碳化物已經(jīng)完全消失，晶界碳化物聚集，材質已經(jīng)徹底劣化，如圖9所示。

     對封堵的爐管進行取樣評估，分別進行室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、高溫蠕變持久試驗、彎曲試驗、沖擊試驗，檢驗結果表明抗拉強度、屈服強度顯著降低，在1 050℃、25MPa高溫蠕變持久試驗條件下，爐管持久斷裂時間遠低于相關標準中規(guī)定的最小斷裂時間，在彎曲試驗中試樣均發(fā)生斷裂，表明材質韌性下降，已經(jīng)轉變?yōu)榇嘈圆牧?。本次檢驗表明爐管損傷程度較高，顯微組織劣化嚴重，材質本身的抗氧化性、抗蠕變性能、高溫持久強度消耗殆盡，已經(jīng)處于使用壽命末期，需監(jiān)控使用。

     爐管在服役期間連續(xù)跟蹤的無損檢測是非常有必要的，其中超聲波透射技術主要是針對HK40材質的厚壁爐管研發(fā)設計，技術純熟準確度較高，隨著新材料的應用及爐管國產(chǎn)化，爐管壁厚及管徑各不相同，尤其薄壁管的應用導致爬管檢測時超聲透射截面減小，檢測區(qū)域變得非常狹窄，準確性大打折扣，同時由于HP材料的專項研究較少，專門的檢測數(shù)據(jù)與分析經(jīng)驗不充足，導致其原有的評級體系準確性不高，對投用時間較短的爐管其檢測結果參考意義不大，若服役時間接近爐管壽命晚期階段，利用大修周期進行超聲檢測仍有必要，因為該種方式仍是目前可實現(xiàn)對爐管覆蓋面積最大的檢測方式，其檢測結果可提醒技術人員對回波異常的管段給予關注。

     無論什么原因造成的爐管損傷，其實質都是組織的變化，因此對爐管進行金相檢驗非常有必要，金相分析可準確反映材料組織的變化情況，給出定性分析結論，并且可以在爐管的某個區(qū)域逐年進行連續(xù)分析，以跟蹤材質的劣化進程，便于對其剩余使用壽命進行評估。但金相分析取樣面積小，耗費時間長，操作精細度要求高，因此取樣點應具有一定的代表性。

     硬度檢驗、常溫沖擊試驗、彎曲試驗等可以分析材料的力學性能變化情況，高溫持久試驗通過模擬高溫加載條件，在一定溫度與載荷強度作用下，通過斷裂時間反應材料的損傷情況，理論上通過溫度與載荷狀態(tài)的模擬實驗可粗略估量爐管的剩余使用壽命，但一般正常運行階段不具備截取試樣條件，當有換管或堵管等非常規(guī)操作機會時，截取試樣進行分析對預估剩余壽命和指導生產(chǎn)具有重大意義。

5 影響使用壽命因素

5.1 制造因素

     高溫合金鑄造爐管采用離心澆鑄而成，制造工藝控制不嚴可能導致熔煉鋼水中的雜質不能在離心澆鑄時排到管的外表面，而是呈螺旋狀分布在基體組織中，這將成為鑄管的薄弱點，在高溫運行時抵抗不住應力的影響，率先產(chǎn)生裂紋損壞。此外企業(yè)在制造過程中為節(jié)省成本，母材中各有效元素含量一般會控制在標準下限，這也將對爐管的抗氧化性、抗蠕變能力及高溫強度產(chǎn)生一定影響。

5.2 升、降溫速率控制

     開、停車過程中正常的升、降溫一般不會對爐管產(chǎn)生嚴重影響，但在異常情況下的應急處置時，會面臨超溫或急速降溫的過程，這可能造成爐管外壁所受的內部應力發(fā)生急劇變化，對組織造成疲勞損傷并逐漸累積，在經(jīng)受頻繁的溫度沖擊后，造成管壁損壞開裂。同時急劇的溫度變化也會引起催化劑載體內部應力的驟變，導致催化劑粉化碎裂，增大管內阻力，使氣體流量減少，導致爐管局部過熱蠕脹損壞。生產(chǎn)過程中應盡可能平穩(wěn)開車，同時減少緊急停工次數(shù)，延長爐管使用壽命。

5.3 操作控制

     爐管在長期運行過程中會因為應力疲勞、熱疲勞、蠕脹裂紋、彎曲變形、組織劣化、強度韌性降低等多種原因發(fā)生破裂或斷裂失效，眾多導致爐管直接失效原因發(fā)生的基礎都有高溫的影響，高溫下材料組織表面的碳化物氧化流失，內部二次碳化物不斷沿晶界析出，導致材料脫碳組織劣化，引起材料的強度、硬度、韌性、抗疲勞性能降低，最終引發(fā)破裂。因此在日常操作過程中需嚴格控制操作溫度，及時處理因催化劑或燒嘴引發(fā)的紅斑、亮管、花管、舔管問題，避免爐管發(fā)生局部超溫過熱，造成材質損傷。

6 結束語

       從一段轉化爐爐管服役的11×10⁴h全壽命周期的連續(xù)檢測過程中可以發(fā)現(xiàn)，在（8~10）×10⁴h階段，負荷的提升疊加燒嘴舔管的影響使爐管材質發(fā)生了快速劣化，直接導致爐管使用壽命大幅度縮短。在生產(chǎn)中除嚴密監(jiān)測爐管運行狀態(tài)和定期跟蹤檢驗外，還要重點關注燃燒器燒嘴的工作狀態(tài)，盡量避免偏燒舔管，每次負荷調整后應現(xiàn)場確認燒嘴燃燒狀態(tài)，有檢修機會應對燒嘴進行疏通，清除積碳確保燃燒狀態(tài)正常。在爐管運行過程中溫度是最重要的影響因素，即使很小區(qū)域的局部過熱對爐管來說也是致命的，無論是蠕脹開裂還是應力腐蝕裂紋或是熱疲勞斷裂，其根本原因均是基體組織首先發(fā)生變化，損傷逐漸累積破壞組織的穩(wěn)定性和強度導致爐管鼓包開裂，喪失使用功能，因此在裝置生產(chǎn)中應切實做好設備管理，嚴控操作指標，合理確定升、降溫速率，以此來保障爐管的安全運行，最大化的延長其使用壽命。

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