压缩版_转化炉(修改稿)-甲醇转化炉下集气管异径管接头裂缝及其修补工艺

甲醇转化炉下集气管异径管接头裂缝及其修补工艺

摘要：本文阐述了作者参加的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。本文对同类产品的施焊、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

0前言

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。

本文作者以焊接专业技术人员身份参加了专家组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，本文对其全过程加以整理、阐述，以供转化炉制造、安装、检修、现场焊接、化工生产及设计有关技术人员参考。

*（参加专家组调研和修补方案讨论的有甲醇装置生产、检修、转化炉设计、制造和安装等单位有关人员。）

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（参见图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（Dg200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。

图1 转化炉管上部吊架结构图2 转化炉下部的下集气管及猪尾巴管

转化炉内是燃烧的天然气火焰，炉膛温度高达1360ºC；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 ºC，管内转化气出口温度达960ºC，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气管之间的热膨胀应力和变形。

下集气箱（管）横卧在管座上，两侧通过异径管接头与十余根“猪尾巴”管相连（参见图2、3、4）。异径管接头与下集气管的焊缝在制造厂焊接，与“猪尾巴”管的对接焊缝在现场采用手工氩气保护焊进行焊接。异径管接头为锻制机加件，材质为Cr20Ni32Nb,与“猪尾巴”管相似，外径φ60/38mm，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自产。造成转化炉泄漏的裂缝全部出现在离焊缝3-8mm的异径管接头上。

本文根据现场勘查、裂缝位置、覆膜金相、焊工询查及原始施焊记录等进行综合分析，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

图3 转化炉下集箱（管）冷态上移图4 裂缝全部位于异径管接头上方

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（参见图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量，或运行曾出现超温现象。

2.2 裂缝的所在位置、形态及数量

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（参见图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”管侧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（参见图5、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，显微组织均为奥氏体；显微裂纹群布，发生在晶间，多出现在离熔合线

较远的“低温”热影响区。

图5 焊缝溶合线处金属图6 异径管接头母材金属组织

（图中左侧白色区域为焊缝组织。）（奥氏体晶粒6-8级）

图7 主裂缝边缘区域众多显微裂纹形貌图8 距熔合线7～8mm范围内有众多（图片下方黑色区域为主裂缝）与熔合线平行的显微裂纹

※覆膜金相腐蚀液：王水，金相照片放大：150X。

2.4转化炉竣工文件及焊接、检测记录

专家组查阅了转化炉有关竣工文件和施工期间的焊接记录。施工单位在施焊前，按照GB5236《现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范》进行了焊接工艺评定，并依据设计要求和合格的焊接工艺评定报告编制了转化炉猪尾巴管的焊接工艺操作规程。其中：（1）焊接方法——氩电联焊，手工氩弧焊打底，电弧焊盖面；

（2）焊接规范——氩弧焊电极直径φ2mm，电流85-120A，焊丝直径φ2.5mm；手工电弧焊焊条直径φ2.5mm，焊接电流85-120A；（设备制造厂提供的焊接工艺评定，焊接电流为85-160A。）

（3）环境条件——环境温度高于10℃，相对湿度小于90%，风速小于2M/S；焊后自然空气冷却；要求层间温度≤100℃。

焊接工艺实施记录只能看到每道焊口对应的施焊焊工、施焊日期、使用的焊接材料和焊接方法，对实际施焊的焊接层次、焊接电流、焊接电压、焊接速度及焊缝层间温度没有记录和监督检查考证；据对焊工访谈回忆，当时的实际焊接电流很可能超过120A，对焊缝层间温度没有注意控制，每道焊缝的焊接方向，都是由下向上兜焊，收弧在上部。

焊缝成品进行100%表面渗透检测，100%进行γ射线探伤检测（因受猪尾巴管阻挡，X 线机头安置不便，故采用γ射线探伤检测），均未发现裂缝迹象。

3.裂纹成因分析

笔者赞同内蒙古锅检所对转化炉下集气箱异径管接头裂缝性质的评定——他们综合了