符慶偉(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)對(duì)清潔原料的使用需求在不斷增加，近幾年我國氫氣的需求量可謂是日益增加，制氫裝置的功能性則需要不斷更新，盡可能滿足工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的實(shí)際需求。由于在轉(zhuǎn)化過程中，具有強(qiáng)吸熱以及高溫等特點(diǎn)，該反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成加熱爐的形式，在使用過程中，需要將催化劑裝在一根根裝入爐內(nèi)，由爐膛直接加熱，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)使用過程中容易出現(xiàn)的問題，需要針對(duì)這些問題進(jìn)行解決。

1 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管設(shè)備概況

制氫轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置中不可忽略的核心設(shè)備，是一種極為特殊的外熱式列管反應(yīng)器。為了有效分析制氫裝置轉(zhuǎn)化爐在使用過程中出現(xiàn)爐管開裂的原因，需要選擇相關(guān)實(shí)例進(jìn)行探討，以便發(fā)現(xiàn)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐容易出現(xiàn)的問題，并且找到相關(guān)的解決措施，提高制氫裝置轉(zhuǎn)化爐使用效果[1]。

1.1 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐設(shè)備的反應(yīng)過程

在分析設(shè)備的概況過程中，首先要了解該設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用過程中需要選擇經(jīng)過脫硫和脫氯處理過的天然氣，其中要求水碳比為3∶1，將其與水蒸氣混合。當(dāng)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐升溫至550 ℃之后，將處理好的氣體由上集管進(jìn)入制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的輻射段，其中制氫裝置轉(zhuǎn)化爐內(nèi)裝有轉(zhuǎn)化反應(yīng)器即Z417/418 NiO，在催化劑作用下，使天然氣和水蒸氣發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式為：

1.2 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐設(shè)備的相關(guān)參數(shù)

在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中，整個(gè)反應(yīng)過程呈現(xiàn)一種極為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，其中涉及到的所有熱量均是由氣體燃料燒嘴所提供的。本次實(shí)驗(yàn)的過程中制氫裝置轉(zhuǎn)化爐采用的是頂燒廂式爐結(jié)構(gòu)，其中燃燒器布置在輻射室的頂部，并且轉(zhuǎn)化管受熱形式為單排管受雙面輻射，其中制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的外形尺寸為：13.2 mm×16.5 mm×30.3 m。涉及到的其他與制氫裝置轉(zhuǎn)化爐相關(guān)的參數(shù)為：總熱負(fù)荷為121.972 MJ/h，其中輻射室吸熱量為77.352 MJ/h，入口設(shè)計(jì)溫度為550 ℃，出口的設(shè)計(jì)溫度為860 ℃，其中入口設(shè)計(jì)壓力為3.3 MPa，出口的設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa，總熱效率為>90%，對(duì)流室吸熱量為44.62 MJ/h；其中入口操作溫度為542 ℃,出口操作溫度為880 ℃，入口操作壓力3.07 MPa,出口操作壓力為2.93 MPa。

1.3 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐設(shè)備出現(xiàn)故障的實(shí)際情況

2020年11月底，在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐使用過程中出現(xiàn)了故障，當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐爐墻的監(jiān)控處鋼板變紅且擴(kuò)展較快，在第一時(shí)間內(nèi)采取緊急的停車措施。經(jīng)過檢查之后發(fā)現(xiàn)，在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中的自南向北第三排、自西向東第三根爐管發(fā)生開裂，并且該裂縫沿爐管軸向擴(kuò)展，距離爐頂6～7 m。

2 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂分析

2.1 外觀檢查

從外觀的角度分析，能發(fā)現(xiàn)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管裂口長(zhǎng)225 mm，裂口最寬的地方為7 mm。裂縫沿軸向擴(kuò)展，在裂縫附近的爐管外徑最大變形率約為3.25%；而在管內(nèi)有無論是在爐內(nèi)或是爐外，表面并沒有極為明顯的全面腐蝕特征，斷口處也沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形，呈現(xiàn)的是黑色。人為打開的部分則呈現(xiàn)的是金屬灰顏色，通過對(duì)裂紋內(nèi)壁進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中有裂紋的地方區(qū)域相對(duì)較于平坦，有多處裂紋，并且裂紋處于向外拓展的狀態(tài)。其中爐管其最薄的地方為1～2 mm之間，呈現(xiàn)的是剪切唇這一特征。

2.2 化學(xué)成分分析

為了更好地去探討制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的原因，還需要對(duì)爐管中的化學(xué)成分進(jìn)行分析，通過分析后發(fā)現(xiàn)爐管中有的化學(xué)元素為：C、Si、Mn、Cr、Ni、Nb。

2.3 高溫持久試驗(yàn)

(1)分析高溫持久性能。在分析制氫裝置轉(zhuǎn)化爐開裂的原因時(shí)，還需要對(duì)其進(jìn)行高溫持久性能分析。一直以來，高溫持久都是制氫裝置轉(zhuǎn)化爐在進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)中最基本的內(nèi)容，也是最根本的依據(jù)之一，需要根據(jù)其持久性進(jìn)行性能測(cè)定。由于高溫金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的高溫狀態(tài)中進(jìn)行使用會(huì)出現(xiàn)損毀是一種必然現(xiàn)象，這種損傷是日積月累的，會(huì)導(dǎo)致制氫裝置轉(zhuǎn)化爐在使用時(shí)壽命不斷下降。為此，需要對(duì)已經(jīng)開裂的爐管進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)定，能夠更好地了解到爐管的裂縫部位和其他部位的壽命是否處于一致狀態(tài)，應(yīng)從制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中裂縫的附近、遠(yuǎn)離裂縫部位以及裂縫背面三個(gè)不同的部位，分別取兩組進(jìn)行高溫持久實(shí)驗(yàn)。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：當(dāng)取樣部位在裂縫附近時(shí)，對(duì)其標(biāo)號(hào)為1號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為16 h；針對(duì)同樣部位的取樣標(biāo)號(hào)為2號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為25.1 h。當(dāng)取樣部位在遠(yuǎn)離裂縫部位時(shí)，對(duì)其標(biāo)號(hào)為3號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為183 h，針對(duì)同樣部位的取樣標(biāo)號(hào)為4號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為86.5 h。當(dāng)取樣部位在裂縫背面時(shí)，對(duì)其標(biāo)號(hào)為5號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為175 h，針對(duì)同樣部位的取樣標(biāo)號(hào)為6號(hào)，試驗(yàn)溫度為1 050 ℃，應(yīng)力為23 MPa，開裂的時(shí)間為192 h。

2.4 原因分析

綜上，可發(fā)現(xiàn)在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中爐管的化學(xué)元素含量正常，并且光學(xué)金相檢驗(yàn)結(jié)果正常，說明制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管原始制造處于正常狀態(tài)，而根據(jù)高溫持久實(shí)驗(yàn)中不同裂紋的狀態(tài)，能發(fā)現(xiàn)裂紋附近的試樣部分溫度強(qiáng)度相比于遠(yuǎn)離裂紋部分的試樣而言有著極為明顯的差距。由此能夠判斷出，在遠(yuǎn)離裂紋部位，其裂紋部位的主管并沒有發(fā)生高溫的蠕變損傷，而裂紋附近則有著極為嚴(yán)重的高溫蠕變損傷，導(dǎo)致其室溫的拉伸性能以及高溫的持久性能在不斷下降。根據(jù)對(duì)爐管的光學(xué)金相檢查結(jié)果進(jìn)行分析，其中裂紋尖端部位和裂紋附近的變化遠(yuǎn)高于裂紋部位和裂紋背面，導(dǎo)致開裂的爐管在不同的位置，其形態(tài)和尺寸存在區(qū)別，大體可判斷制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的部位，其受熱超過了1 100 ℃。可見，制氫裝置轉(zhuǎn)化爐如果在制造過程中不存在缺陷，導(dǎo)致制氫裝置轉(zhuǎn)化爐出現(xiàn)爐管開裂的主要原因是爐管局部過熱，爐管內(nèi)部萌生出大量的蠕變，導(dǎo)致其存在明顯的空洞和裂紋，并且在內(nèi)壓的作用下，裂紋漸漸地向外部方向進(jìn)行拓展。當(dāng)拓展至臨界值時(shí)，剩余的背后高溫強(qiáng)度無法承受當(dāng)下的爐管內(nèi)壓，導(dǎo)致爐管出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象[2]。

3 制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂的對(duì)策

3.1 嚴(yán)格審定操作規(guī)程

(1)按照操作流程進(jìn)行工作。當(dāng)前需要嚴(yán)格地按照已經(jīng)既定的操作規(guī)則進(jìn)行操作，其目的是為了控制溫度的升降，能夠在整個(gè)升降管理過程中建立更為嚴(yán)格的操作規(guī)程，根據(jù)科學(xué)性的審定，減少由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致的制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂這一現(xiàn)象。需要采用多點(diǎn)測(cè)溫的方式，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控與參考，其目的是確保制氫裝置轉(zhuǎn)化爐管壁的溫度始終在可控范圍內(nèi)。在大多數(shù)情況下，每排爐管的溫度監(jiān)視器不得少于3個(gè)，而每隔一段時(shí)間都需要對(duì)主管溫度監(jiān)視進(jìn)行一次記錄。其中爐膛的溫度更是要對(duì)其進(jìn)行極為重點(diǎn)的把控，才能不斷降低爐管開裂的概率，并且達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)，提高生產(chǎn)的整體質(zhì)量。

(2)實(shí)例分析。以本次制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂為例進(jìn)行分析，想要提高其后續(xù)的整體管理質(zhì)量，就需要控制管壁溫度不超過960 ℃，而對(duì)二排爐管一共要設(shè)置32個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，要求每隔一段時(shí)間內(nèi)對(duì)監(jiān)視點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄，同時(shí)也需要對(duì)爐膛的溫度進(jìn)行重點(diǎn)把控。在確保氫化裝置轉(zhuǎn)化爐爐管外壁最高耐溫小于960 ℃的情況下，對(duì)所有的制氫裝置進(jìn)行負(fù)荷控制。如果在整體使用過程中，系統(tǒng)本身對(duì)氫的需求量在不斷降低，則需要保證裝置處于低負(fù)荷的熱備狀態(tài)下，盡可能地避免裝置出現(xiàn)頻繁開工和停工的現(xiàn)象。如果當(dāng)情況已經(jīng)變成迫不得已需要停工時(shí)，則需要嚴(yán)格地按照正常的開、停工步驟進(jìn)行工作，其目的是為了保護(hù)好催化劑，同時(shí)也能夠有效避免在使用制氫裝置轉(zhuǎn)化爐過程中出現(xiàn)的來回停工而導(dǎo)致的爐管開裂現(xiàn)象。

3.2 嚴(yán)格控制爐出口溫度

在當(dāng)前需要對(duì)爐出口溫度進(jìn)行控制，盡可能地避免出現(xiàn)爐溫有極強(qiáng)波動(dòng)這一現(xiàn)象。在分析制氫裝置轉(zhuǎn)化爐氣出口溫度時(shí)，要求其出口溫度應(yīng)該是以三維段式紅外測(cè)量的溫度作為基礎(chǔ)，并且進(jìn)行控制。也就是說，需要對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的出口工藝控制溫度、爐膛溫度以及爐管在使用時(shí)的溫度進(jìn)行測(cè)算，綜合好三者之間的關(guān)系，建立三者之間溫度的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行共同控制。這種方式可以有效提高測(cè)算結(jié)果，并且能對(duì)所有的主要參數(shù)在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，保證在制氫裝置轉(zhuǎn)化爐使用過程中，每根爐管的溫度不會(huì)出現(xiàn)較大變動(dòng)，促使制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的控制比例得到提升、控制效果得到提升、控制效果得到改善。以本次制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管開裂進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)按照裝置最初的原始設(shè)計(jì)，對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐出口溫度進(jìn)行確定數(shù)據(jù)為870 ℃，其中制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐管外壁最高耐溫度為不小于960 ℃。在實(shí)際操作的過程中卻發(fā)現(xiàn)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的氣出口溫度只有845 ℃，但是通過三維電視紅外監(jiān)控測(cè)量爐管外壁，卻發(fā)現(xiàn)其溫度已經(jīng)到達(dá)970～990 ℃。因此在當(dāng)前需要聯(lián)系設(shè)計(jì)人員，對(duì)轉(zhuǎn)對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的出口工藝控制溫度、爐管壁溫以及爐膛溫度三者之間的關(guān)系進(jìn)行重新核算，目的是確保對(duì)所有轉(zhuǎn)化爐主要參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，同時(shí)也需要?dú)堄嗟募淄楹俊?/p>

3.3 加強(qiáng)對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐火嘴燃燒狀況的檢查

在此基礎(chǔ)之上不斷調(diào)整轉(zhuǎn)化爐出口溫度，由原來的870 ℃不斷降至不小于825 ℃，同時(shí)要求制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中每一根爐管的氣象均處于均勻狀態(tài)，水碳比也需要進(jìn)行控制，盡可能由原先的3.0提高到3.5。與此同時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐火嘴燃燒狀況的檢查，及時(shí)排除由于火嘴調(diào)整不到位而導(dǎo)致的制氫裝置轉(zhuǎn)化爐局部紅管現(xiàn)象的可能性。一旦發(fā)現(xiàn)在使用制氫裝置轉(zhuǎn)化爐過程中個(gè)別爐管存在花斑現(xiàn)象，需要在第一時(shí)間內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的燒嘴，減少開度，解決這一問題，盡可能避免該問題頻繁出現(xiàn)[3]。

3.4 加強(qiáng)轉(zhuǎn)化爐的日常檢查與監(jiān)護(hù)

通過上述爐管開裂的原因進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)在實(shí)際使用制氫裝置轉(zhuǎn)化爐時(shí)還存在著由于加強(qiáng)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的日常檢查和監(jiān)護(hù)不力而導(dǎo)致故障出現(xiàn)。為此，要求制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的所有工作人員做好日常的檢查以及監(jiān)護(hù)，可以選擇定期檢查與隨機(jī)檢查相結(jié)合的方式，對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中的每一個(gè)零部件進(jìn)行監(jiān)管。由于制氫裝置轉(zhuǎn)化爐大部分的故障來源于爐管，但是從制氫裝置轉(zhuǎn)化爐整體故障進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)無論是爐管或是其他配件在使用的過程中，同樣會(huì)出現(xiàn)一定程度的損耗和故障傾向。為此要求在日常檢查的過程中，檢查人員需要對(duì)其他部件同樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管，盡可能保證制氫裝置轉(zhuǎn)化爐設(shè)備使用周期可以得到延長(zhǎng)，使用質(zhì)量能夠得到提升。

3.5 定期培訓(xùn)檢修工作人員，提高專業(yè)素養(yǎng)

作為制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的日常維護(hù)檢修人員，要求具備極強(qiáng)的操作能力以及技術(shù)水平，可以在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐在使用過程中存在的問題。作為企業(yè)管理者，需要定期對(duì)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的技術(shù)維修人員進(jìn)行培訓(xùn)。無論是操作人員或者是維護(hù)人員，其技術(shù)水平和專業(yè)素養(yǎng)都需要得到提高。必要時(shí)還可以通過聘請(qǐng)專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行定期的指導(dǎo)以及監(jiān)督檢查，定期考核企業(yè)內(nèi)制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的維修養(yǎng)護(hù)人員，并對(duì)考核結(jié)果而進(jìn)行分析，如果考核質(zhì)量不佳則不能繼續(xù)從業(yè)，保證所有的工作人員其自身的專業(yè)水平較佳，從而確保整個(gè)企業(yè)檢修人員的隊(duì)伍水平能夠達(dá)到預(yù)期要求，盡可能地降低在使用制氫裝置轉(zhuǎn)化爐中故障出現(xiàn)的頻率。

4 結(jié)語

綜上所述，在使用制氫裝置轉(zhuǎn)化爐的過程中，針對(duì)爐管開裂這一故障，需要采用一系列的預(yù)防手段，才能更好地降低爐管開裂的概率，同時(shí)在整體運(yùn)行過程中，也能夠讓運(yùn)行穩(wěn)定性得到不斷增強(qiáng)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過使用預(yù)防措施讓爐管表面的溫度平均下降30～50 ℃之間，既可以確保爐管本身的應(yīng)力復(fù)合減少，同時(shí)也可以有效延長(zhǎng)爐管在使用時(shí)的使用壽命，獲得更加廣泛的經(jīng)濟(jì)效益，符合良好的生產(chǎn)安全需求。