陳風(fēng)敬，左孟如

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223；2.武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北武漢 430200)

開工加熱爐爐管爆管原因分析及處理

陳風(fēng)敬1，左孟如2

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223；2.武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北武漢 430200)

針對(duì)一起50萬t合成氨工藝裝置開工加熱爐發(fā)生爐管爆管的事故，分析了爆管原因，通過帶缺口試件與標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸對(duì)比試驗(yàn)研究，確定了缺口對(duì)試件綜合承載能力的影響，驗(yàn)證了爆管原因，為該爆管的開工加熱爐的維修處理提供了科學(xué)依據(jù)。

爐管；表面缺陷；應(yīng)力；機(jī)械性能；鼓包

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.014

以煤為原料的年產(chǎn)50萬t合成氨工藝裝置都在合成工段設(shè)置有開工加熱爐，為合成工段的開車運(yùn)行階段提供熱能，使進(jìn)入合成觸媒的新鮮合成氣達(dá)到合成催化劑活性要求的起活溫度。某廠新建的年產(chǎn)50萬t合成氨工藝裝置試生產(chǎn)近1年時(shí)間，在一次開車過程中發(fā)生合成開工加熱爐爆管事故，造成裝置被迫停車。經(jīng)調(diào)查、分析，實(shí)施了設(shè)計(jì)單位提出的解決方案后，裝置現(xiàn)已連續(xù)運(yùn)行6年有余，為后續(xù)同類型項(xiàng)目提供了防范和處理經(jīng)驗(yàn)。

1 問題及研究

1.1 開工加熱爐爆管事故的有關(guān)情況

2009年5月，某廠在一次開車過程中，各裝置和系統(tǒng)操作一切正常，在合成工段運(yùn)行過程中，開工加熱爐點(diǎn)火運(yùn)行，氣體流量、壓力及檢測(cè)溫度逐漸上升，一切數(shù)據(jù)都在控制值范圍內(nèi)，運(yùn)行良好，但在平穩(wěn)運(yùn)行中發(fā)生合成開工加熱爐爆管事故，開工加熱爐防爆門全部飛離本體，因爆管氣浪沖擊造成本體設(shè)備法蘭發(fā)生變形，事故造成裝置被迫停車。業(yè)主、設(shè)備供應(yīng)商及設(shè)計(jì)單位組成聯(lián)合事故調(diào)查小組進(jìn)行事故調(diào)查、分析。

1.2 爆管原因

針對(duì)開工加熱爐的爆管，調(diào)查小組有兩種不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為爆管是由于操作失誤，造成高溫形成鼓包，然后爆管，這一觀點(diǎn)的主要依據(jù)為鼓泡現(xiàn)象，并得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為爆管點(diǎn)處內(nèi)壁存在的較深拉傷是因產(chǎn)品缺陷引起，加上在高溫和內(nèi)壓下應(yīng)力疊加，應(yīng)力水平超出材料屈服限，導(dǎo)致變形爆裂，是產(chǎn)品質(zhì)量問題造成爆管，在爆點(diǎn)附近其他已變形還未爆的地方也都存在同樣拉傷痕跡，也印證了該觀點(diǎn)。調(diào)查小組針對(duì)兩種觀點(diǎn)進(jìn)行了充分地討論，形成比較一致的意見，即進(jìn)行機(jī)械性能、化學(xué)成分等指標(biāo)檢驗(yàn)，視檢驗(yàn)結(jié)果而定結(jié)論和處理辦法。

2 結(jié)果與驗(yàn)證

2.1 現(xiàn)場(chǎng)分析與檢測(cè)結(jié)果

基于上述第一種觀點(diǎn)，即可能是管內(nèi)超溫超壓造成事故。開車過程中發(fā)生超溫工況，最主要的原因可能是管內(nèi)無氣體流量，管外繼續(xù)加熱。在投用后，也可能有超壓或同時(shí)有超溫和超壓等狀況，情況比較復(fù)雜。經(jīng)過充分技術(shù)準(zhǔn)備后，調(diào)查組進(jìn)入控制室調(diào)出生產(chǎn)記錄進(jìn)行檢查，對(duì)事故前一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行排查。檢查結(jié)果表明，生產(chǎn)記錄的曲線完整、齊全、平穩(wěn)，開車過程曲線也未見超溫超壓的異常波動(dòng)，直到爆管出現(xiàn)異常掉壓。此外，調(diào)查組還檢查了值班記錄，并對(duì)操作和當(dāng)班負(fù)責(zé)人等進(jìn)行了詢問。最后，調(diào)查組形成一致意見，認(rèn)為操作上沒有問題。

與此同時(shí)，調(diào)查組對(duì)爐管的機(jī)械性能和材料化學(xué)成分進(jìn)行分析，對(duì)爐管內(nèi)表面缺陷進(jìn)行檢查。結(jié)果表明，爐管化學(xué)成分和機(jī)械性能檢測(cè)均為合格，唯有爐管內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)多處拉傷痕跡，寬度范圍在3～5 mm，深度范圍2～5 mm，長度范圍在1 000～1 800 mm，在同一斷面上有2處或3處的拉傷痕跡。爆管處和已經(jīng)變形未爆的地方，均存在拉傷缺陷，具體詳見圖3中標(biāo)識(shí)的爐管進(jìn)口A、出口C及爆管B等位置。爆管斷面具有變形不充分、變形斷口呈現(xiàn)晶粒狀的特征。

因此，調(diào)查小組得出結(jié)論：爐管內(nèi)表面缺陷的質(zhì)量問題是產(chǎn)生爆管的直接原因。

2.2 分析與驗(yàn)證

為了進(jìn)一步證實(shí)調(diào)查小組結(jié)論的正確性，技術(shù)人員做了材料的拉伸試驗(yàn)測(cè)試，通過對(duì)模擬缺口缺陷的材料機(jī)械性能與無缺陷材料機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。具體情況如下。

2.2.1 機(jī)械性能測(cè)試試件

爐管周向應(yīng)力是計(jì)算考慮的主要因素，也是拉傷影響最為主要的因素，對(duì)應(yīng)考慮拉伸試件。因管材試樣制作相對(duì)繁瑣，故采用板材來做試驗(yàn)。盡管拉伸試驗(yàn)數(shù)值會(huì)不盡相同，但對(duì)分析應(yīng)力集中的比例系數(shù)是不影響分析結(jié)論的。也正因此，試驗(yàn)采用板材制作矩形標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣

試件材質(zhì)S30408，名義壁厚12 mm，制作3件，編號(hào)A1、A2、A3。

2.2.2 帶缺陷機(jī)械性能測(cè)試試件

帶缺陷的試樣見圖2。

圖2 帶缺陷的試樣

帶缺陷試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣為同批材料，材質(zhì)S30408，名義壁厚12 mm，制作3件，編號(hào)A4、A5、A6，中間部位開設(shè)有缺口，其寬×深為5 mm×4 mm。

2.2.3 機(jī)械拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比

將標(biāo)準(zhǔn)試樣和帶缺陷試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸集在表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

可以分別求得A1、A2、A3件的屈服載荷及極限載荷平均值：

而A4、A5、A6件的屈服載荷及極限載荷平均值：

兩種情況下的屈服載荷及極限載荷之比即為承載降低系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明：由于缺陷的作用，應(yīng)力發(fā)生集中，造成實(shí)際承載能力下降至約原值的73.83%，發(fā)生材料屈服變形，發(fā)生斷裂時(shí)，其承載能力下降為原值的約69.46%。

2.3 爐管承載能力計(jì)算結(jié)果

爐管設(shè)計(jì)主要計(jì)算數(shù)據(jù)見表2，應(yīng)力情況見表3，設(shè)備簡圖見圖3，B處爆管見圖4。

表2 開工加熱爐盤管強(qiáng)度計(jì)算

圖3 設(shè)備簡圖

圖4 B處爆管

不計(jì)溫差應(yīng)力的影響，僅僅考慮強(qiáng)度應(yīng)力的情況，計(jì)算應(yīng)力為：

結(jié)果表明安全。

缺口處實(shí)際計(jì)算承載應(yīng)力：

結(jié)果表明發(fā)生屈服(或斷裂)。

此時(shí)屈服(或斷裂)安全的承載極限內(nèi)壓：

在正常范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生屈服(或斷裂)。

采用名義壁厚Sn實(shí)=12-4=8計(jì)算，缺口應(yīng)力和內(nèi)壓分別為：

試件的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明：

結(jié)果表明發(fā)生屈服。

結(jié)果表明發(fā)生斷裂。

表3 應(yīng)力情況

上述結(jié)果足以證明管內(nèi)表面缺陷是爆管的決定性因素。盡管略去了溫差應(yīng)力和采用常溫的降低系數(shù)來代替高溫下的降低系數(shù)，但還是可以說明問題。根據(jù)原爐管計(jì)算結(jié)果，其承載至13.49 MPa時(shí)爐管局部發(fā)生屈服變形，在還沒有充分變形伸延，就發(fā)生破裂，與爐管爆管斷口以及還未爆的斷口上實(shí)際情況吻合。

2.4 最終處理方案與實(shí)施

處理的意見也出現(xiàn)兩種：一是局部更換破裂的管段，修復(fù)后再用，這種觀點(diǎn)主要是基于操作超溫造成的事故；持反對(duì)的意見認(rèn)為，主要是材料內(nèi)壁缺陷造成，沒有發(fā)現(xiàn)超溫記錄，同時(shí)更重要的是爐管(盤管)多處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷(具體見下部入口A處、爆管B處及上部出口C處)，整批管都可能存在內(nèi)表面缺陷問題，整體更換是必要的。基于質(zhì)量問題，對(duì)與該設(shè)備同批進(jìn)料制造的另一臺(tái)開工加熱爐爐管也進(jìn)行整體更換的處理。更換工作分為制造廠內(nèi)預(yù)制盤管和現(xiàn)場(chǎng)安裝兩部分工作，先在制造廠進(jìn)行盤管彎制，后送到現(xiàn)場(chǎng)安裝、組對(duì)、焊接、檢驗(yàn)及水壓試驗(yàn)。

2.5 運(yùn)行結(jié)果

由于各方重視，爐管更新后，經(jīng)檢測(cè)和試壓合格，設(shè)備投入使用，且歷時(shí)6年多的運(yùn)行，經(jīng)受了各種工況檢驗(yàn)，其質(zhì)量可靠、安全性好得到證明，再?zèng)]有發(fā)生任何意外事故。

3 結(jié)語

本文所述開工加熱爐爆管的主要原因是爐管材料內(nèi)壁表面缺陷引起應(yīng)力集中，在正常高溫、高壓下應(yīng)力水平超過材料屈服限，從而造成破壞。因該批管內(nèi)表面多處存在嚴(yán)重拉傷缺陷，已不適宜局部更換，故采用新爐管更換，替代原整件爐管，處理后的裝置經(jīng)受6年多時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，仍然正常如初。事后技術(shù)人員采用模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)論如下。

(1)缺陷應(yīng)力集中造成承載力下降，可以用缺口試件綜合承載力與標(biāo)準(zhǔn)試件承載力之比反應(yīng)降低程度，其比值可以稱之為承載降低系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)案例中的承載降低系數(shù)為0.738。

(2)利用承載降低系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和分析，其結(jié)果與采用名義壁厚在缺口處的最小壁厚值計(jì)算結(jié)果十分接近，誤差不到1%。

(3)采用替代材料常溫下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)本案例的分析結(jié)果影響誤差可以忽略不計(jì)。

[1]李彥軍，陳彬，等.試樣機(jī)加工對(duì)金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].物理測(cè)試，2011(2)：31-34.

[2]郭森，陶然，等.金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比及應(yīng)用[J].物理測(cè)試，2013(5)：60-63.

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[5]吳建平.乙烯裂解爐輻射段爐管失效原因分析及對(duì)策.石油和化工設(shè)備，2013(8)：32-35.

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[7]ASTM E8/E8M 2013，a Standard test methods for tension testing of metallic materials[S].

Analysis of Cause and Treatment of Tube Burst of Start-up Furnace

CHEN Feng-jing1，ZUO Meng-ru2
(1.Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China；2.Wuhan Donghai Petrochemical Heavy Equipment Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430200 China)

Aiming at the tube burst in a 500-thousand-ton synthetic ammonia process device，this paper analyzes the cause of tube burst.Based on a comparative tensile test between the notched specimen and the standardized specimen，the impact of notch on the comprehensive tensile strength of the specimen has been determined，and the causes of tube burst has been verified.All of these provide a scientific basis for the maintenance of the start-up furnace with the tube burst.

furnace tube；surface defects；stress；mechanical properties；bulge

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.014

TQ440.5

B

1004-8901(2016)05-0054-04

2016-06-01

陳風(fēng)敬(1958年-)，男，重慶人，1989年畢業(yè)于華中理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)及技術(shù)管理等工作。