合成氨厂一段炉分气管致裂原因分析

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1、合成氨厂一段炉分气管致裂原因分析中原大化集团公司朱小四摘要:对一段炉分气管裂纹的形成原因进行了分析和探讨，并提出解决此问题的对策。关键词：一段炉管道裂纹分析对策在合成氨装置中，一段炉不仅因为其投资巨大，更因其所处位置重要，操作水平、管理技术水平要求高等原因，处于无可替代的龙头地位，它运行状况的好于坏，对整个合成氨装置的稳定、高效运行，具有重大影响。但自95年以来，某合成氨装置一段炉转化管入口的分气管管道上，相继出现裂纹，工艺气大量外泄，不仅影响着一段炉的安全运行，更对全装置的长周期、安全、高效生产形成重大威胁。1问题的出现图1为分气管的布置图，到目前为止，这些管道

2、上出现的裂纹主要产生在两个部位：图１分气管布置图图２分气管吊架结构1.１分气管吊架处分气管吊架处的裂纹，产生于吊架垫板与分气管之间的焊缝上，如图２所示区域A。自96年4月首次发现此类裂纹以来，已在8个位置，20多处产生裂纹，多次造成全厂停车，其中有4次是在合成氨装置长周期稳定运行50天以上时，造成停车，造成了巨大的经济损失。1.２分气管吊架两侧最近一年多的时间内，在分气管吊架两侧，猪尾管与分气管管台之间的焊缝上，频繁出现此类裂纹，如图２所示区域B。98年3月首次发现此类裂纹，至今已在4个类似位置出现较大的裂纹，并在其它类似位置也发现了较多的微裂纹，其中2次停车处理

3、，2次趁装置事故停车机会进行了处理，也造成了较大的损失。2裂纹成因分析从管道裂纹的产生部位来看，具有一定的规律性，下面分别对这裂纹的产生原因作一分析和探讨。2.１分气管吊架处裂纹该处裂纹的基本特征，就是沿吊架垫板与分气管之间的焊缝而开裂，且裂纹微观走向呈45°角。下面从设计、操作、微观分析等方面探讨裂纹的成因。2.１．1设计图２中标出了96年4月首次发现的此类裂纹的位置。分气管管系支承的原始设计思路是：分气管的重量靠11个弹簧吊架和端部的两个滑动支架来承担，而在弹簧吊架和分气管之间，靠垫板连接，垫板与分气管之间满焊，分气管的载荷，由这些焊缝承担。根据这种设计，焊接

4、完毕，垫板将对分气管产生较大的拘束应力，当进入运行状态时，由于分气管与垫板之间存在的较大的温差，分气管管壁温度高于垫板温度，使得这种拘束应力急剧增加，尤其是分气管母材的热影响区，运行条件极为恶劣，再加上装置开、停车频繁，时有工况剧烈波动，该处因温度的变化遭受交变应力作用，最终将因这种热疲劳而产生裂纹。焊接该部位在焊缝的猪尾管一侧热影响区中的过热区，母材晶粒变粗大，力学性能受到极大影响，硬度上升，塑性下降，这样，就容易在焊接质量相对较差，热处理相对不彻底的焊接部位，最先产生裂纹。2.１.2吊架预紧力从该部位多次出现的裂纹来看，环向裂纹居多，且均在分气管的正上方，类似

5、第一次发现的纵向裂纹，在对吊架改造为兜挂式之后，并不多见，由此可见，分气管顶部所受拉应力要高于底部，而我们曾多次按原始设计数据，对分气管弹簧吊架的预紧力进行调整，因此，该预紧力原始设计是否偏高，值得怀疑。经计算，中间四只弹簧吊架原始设计运行时的预紧力总和为G1=1200Kg，该段分崐气管自身重量经计算为G2＝870Kg,G1>G2，考虑到分气管端部设有滑动支承，入口崐管本身也起一定的支承作用，可以初步认为弹簧吊架的设计预紧力偏高。2.1.3蠕变、在运行状态，该部位上方受拉应力作用，在高温、高压条件下长期运行，逐渐产生塑性变形，即蠕变，当这种蠕变逐渐积累，达到一定程

6、度后，便萌生裂纹，并发展至贯穿管壁开裂，而后进入稳定扩展期和快速扩展期。2.1.4操作除装置开、停车对裂纹的形成与发展有重要影响之外，运行过程中介质的压力、温度的变化，也能导致该处受力状况的改变，从而有利于裂纹的产生。2.1.5金相组织对裂纹部位的试样进行电镜观察后发现，其组织的晶界中有白黑相间的带状物存在，从金相学上看，这种带状特征，是晶界上出现了贫铬富镍，并伴有部分氧渗入后的成份偏析所致，而正是这种晶间腐蚀，形成了裂纹的根源。图３金相照片2.1.6能谱分析表１能谱分析表１是能谱分析的结果，结合图３可以看出，带状物中间白色区域镍含量高而铬含量低，不易腐蚀而呈现白

7、色，其两侧的黑色带上铬相对较低，而氧含量较高，因而呈现出黑色特征，这就形成了图３所示的带状特征。结合上述分析的设计、吊架、蠕变、操作等原因，将会在分气管的焊缝处首先出现这种损伤，并在其前端的尖端应力场的作用下，在其端部首先开裂，形成微裂纹，并由此扩展。有报道称，其它具有类似设计的大型氨厂也出现了相同的问题，这足以说这种设计存在本质上的缺陷，同时也有大型氨厂承包商改变此种设计的报道。2.3分气管吊架两侧裂纹这里的裂纹，与分气管裂纹出现的位置相似，也在焊缝的溶合线处，此处的焊缝没受到外力的作用，这也是此处裂纹的出现晚于吊架处的原因。但装置的开、停车过程中，分气管的膨胀

8、与收缩受到