侯德民
(泸天化(集团)有限责任公司，四川泸州,646300)
摘要 回顾一段转化炉管理22年来，重点围绕延长转化管寿命所进行的主要工作的经验与体会。精心维护是延长炉管使用寿命的基础，抓好大修是保证炉管正常服役的重要环节，炉管判废研究是决定适时更换的依据。炉管超声波检测系统的引进与研究开发，对保障K ellogg 型炉的安全运行起了极其重要的作用。创造了一炉K ellogg 型竖琴管排稳产高产低消耗运行161017h 、生产合成氨6535577t 的纪录。 关键词 一段转化炉 高温合金炉管 剩余寿命 经济效益
收到修改稿日期:1999-07-22。
1 K ellogg 型一段转化炉的特点
一段转化炉(C1012B )是大中型合成氨装置关
键设备，运行情况直接关系装置安全与经济效益。其独特竖琴管系对转化管、上升管、下集气管这些昂
贵高温合金炉管的可靠性提出极严格要求，因不可能单根从系统中切除，任一根炉管事故破裂都将使装置全停，通常需3～5天才能恢复生产。
竖琴管系中，下集气管应力最复杂，因此选用塑性好、高温强度较低的Incoloy800轧制管，采用良好的保温，使管壁温度小于840℃；上升管的管壁温度最高，达916～944℃，故选用高温强度很高，但最昂贵的Supertherm 离心铸造管；转化管采用HK 40离心铸造管，其工况最苛刻，不仅管壁温度达899～904℃(参见表1)，轴向、径向温差大，而且由于催化剂、燃烧状况等影响，超温的可能性也最大。由于单根更换上升管、下集气管难度极大，设计时考虑了一定的裕量。总的看来，全炉竖琴管排实际股役期取决于多数转化管的寿命。
在80年代以前，炉管全靠进口，需用大量外汇。现在虽然国产炉管已能满足使用要求，但其单价是普通钢材的十几倍。因此，如何在保证一段炉安全运行的前提下尽量延长炉管的使用寿命，一直是企业面临的重要课题。2 运行概况
泸天化K ellogg 型一段炉从1976年10月27日化工投料到1997年10月6日更换全炉竖琴管排，共计运行了22年,161017h ，大大超过100000h
的设计寿命。迄今为止，未见有国内外竖琴管排
寿命超过150000h 的报导。泸天化公司的1012B 是稳产、高产、低消耗的22年:1997年1月1日～1997年10月6日共生产合成氨6535577t ,1977～1996年间共生产合成氨6241594t ，平均年产312080t ，是全国同类型装置最高的。吨氨综合能耗较低。在22年间装置共开停车97次，其中紧急停车54次，大中修停车22次；因一段炉引起停车2次:1984年8月24日对流段锅炉给水预热器入口支管因冲蚀减薄而泄漏，停车35h ;1995年5月17日转化管129#、1210#沿W1熔合线裂开，停车36h (以一段炉停/加原料气计；以上同)。
本炉竖琴管排共单根更换转化管100根，其中,1983～1993年换管19根,1994年换管9根,1995年换管49根(其中焊缝RT 检测后换管37根),1996年换管23根(其中焊缝RT 检测换管17根)。在1994～1996年炉管检测时，考虑管排已超期股役，判断偏严，故这3年单根换管多达81根。从已更换转化管的平面分布看,1～2排较集中，计49根;3～9排较分散，计51根。从运行报表看，第一、第二排并无明显超温的记录。可能是炉管制造质量的分散性。从炉管UT 、剖析的结果看，损坏严重的管段多在炉顶以下2～4m 处，与管壁温度的轴向分布此处最高完全吻合。3 精心维护 延长炉管使用寿命
一段炉的日常维护管理工作是保障其正常运
合成化学
1999年 大 氮 肥Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry 第22卷 第5期
行的基础。长期以来，公司领导一直非常重视，生产管理部门、车间分别设专人负责。一段炉运行的状况，很大程度上取决于操作者；应强调操作工是设备的第一主人这个观点。车间的工号技术管理人员、炉长和工号操作工形成的日常维护体系，对管好用好一段炉起了主要作用。
精心维护是延长炉管使用寿命的基础。主要在防止炉管超温、防止过大的热冲击、防止热膨胀受阻几方面，同时应综合考虑一段炉出口甲烷、炉管壁温与炉管寿命、催化剂寿命之间的关系，适时更换一段催化剂，不拼设备，使一段炉处于最佳状态，安全、经济运行。
控制开停车过程中的升降温速率不应过快，开停车过程中烧嘴的点燃、熄灭应分散有序，以避免造成过大的热冲击或热膨胀不协调。
定期检查竖琴管排的吊挂弹簧，应无卡涩；检查转化管穿过炉顶处，检查下集气管与炉底、侧墙的膨胀间隙，使竖琴管排热膨胀不受阻，避免产生过大的附加应力。
竖琴管系超压的可能性不大。在管排制造质量、安装质量已定的前提下，是否超温是决定炉管实际服役期的最关键因素。据计算得:
转化管加热段应力:σt=810MPa
下集气管应力:σt=1113MPa
据国际上权威的API RP530,HK40在上述计算应力下，管壁温度每增加10℃，设计寿命将缩短2×104h，参见表1。
表1 管壁最高温度与设计寿命
材料应力
小诺霉素MPa
在下述设计寿命下管壁最高温度/℃
10×104h6×104h4×104h2×104h
HK240810932952963982 Incoloy800H1113858872882900
因为转化反应是吸热反应，提高温度有利于加快反应速度、提高产量；为了延长炉管的使用寿命，管壁金属最高温度越低越好；两者是矛盾的统一。为了提高产量，管内流体出口温度(炉底18点)不必过低，特别是在一段转化催化剂使用的后期，控制在不超过设计值即可。为了延长炉管使用寿命，管壁金属最高温度应不超过设计值932℃，最好控制在计算值904℃以下，这主要控制炉温的温差应尽可能低;K ellogg的操作规程对管内流体出口温差作了量化的规定，炉管18点温差不高于20℃，此外还应防止炉管超温，特别是局部超温。
球星马嘴定期检查下集气管保温，如果脱落到裸露出管壁金属，应及时停车修复，否则下集气管会很快因超温而爆管。对上升管，只要烧嘴不偏烧、炉温总体水平不高，加热段即不会超温；炉顶过渡件保温的完好对其安全运行也很重要。我是新国货
防止转化管超温对延长整炉管排寿命是最重要也最复杂的因素，是一段炉日常维护管理中最主要的工作之一。首先要避免炉温总体水平超温，尽可能避免或减少局部超温。一方面催化剂床层的阻力均匀，管内流体流量均匀因而吸热量也均匀；另一方面顶烧嘴燃烧良好，火焰、烟气形成的温度场要均匀(这也是系统节能降耗的关键之一)，这是运行中日常维护的重点，应做到：严格按操作规程操作，严格控制工艺指标(原料气硫含量、炉膛负压、水碳比等)；坚持巡回检查，及时发现存在的问题并妥善处理；炉子的烧嘴应勤检查、细调整；火焰不偏烧、不舔管，无回火、脱火；定期监测炉管壁温，检查转化管有无热点、热区、热管，有无弯曲；发现热管、严重弯曲管应尽可能消除。
4 抓好大修 保证炉管正常服役
很多检查、检验与维修工作只有在停炉大修时才能进行。大修中重点要全面检测炉管，特别是寿命中后期的竖琴管排；包括常规监测，利用先进的检测手段逐根检测炉管的蠕变裂纹，结合运行维护中掌握的炉管超温等异常工况进行综合判断，准确地判定不能安全运行一个大修周期的损伤管并更换，以避免运行中爆管。
燃料气管系如旋塞阀的清理，特别是顶烧嘴喷头的清理，回装时烧嘴相对于烧嘴砖的正对中，对烧嘴的良好运行是不可忽视的；自吸式烧嘴对中稍微差一点，运行中就很容易偏烧。
下集气管保温每次大修都认真检查修复；上升管保温套应保持完好；以使Incoloy800部件不超温。
催化剂装填只能在大修期间进行。抓好装填催化剂这个关键环节，是炉管运行时不超温的关键之一。装填时应严格按规定程序进行。应强调指出，半管阻力测量、调整是不可忽视的重要环节；否则可能出现有的管子虽然满管阻力合格，但某一管段因管内催化剂架桥，在运行中该处成为热点或热管段。
092大 氮 肥1999年 第22卷
5 炉管判废研究 适时更换炉管
511 常规检验
80年代初期采用了各种常规检验。现在，外径测量、焊缝区渗透探伤几乎不再采用了；而宏观检验一直是重要手段之一，特别在运行维护中；射线照相仍是对焊缝区周向裂纹的主要检测手段，尤其在炉管寿命的中后期；表面复膜金相在转化管检验中可起到补充作用，并作为下集气管检验的主要方法。
1)宏观检验。要求检验者积累一定的经验，逐次检验的情况相互对比，结合运行历史(特别是超温史)、无损检测结果进行综合判断。
运行维护中，专人每周一次定点测量转化管、上升管外壁温；适当时候检测转化管弹簧读数，判断下集气管有无异常弯曲。
停车大修时，检查炉管外壁铸造粗糙层的脱落、表面高温氧化状况；检查炉管的弯曲变形，必要时测量记录；更换催化剂时检查转化管内壁有无积盐、结炭，铸造疏松层有无剥落，运行中有超温史的转化管焊缝区有无环向裂纹，必要时采用内窥镜。
2)外径测量。70年代末有资料介绍，蠕胀率2%～3%时应换管。1980、1981年两次对全炉转化管测量外径，试图从外径增大监测炉管蠕胀。由于外壁是铸态，仅焊缝区长50mm经机加工，在每条焊缝上下从东西、南北分别测量4个数据，这样定位较准以便对照。尽管用准确度0101mm的螺旋测微仪测,1981年的数据有的仍比1980年小。运行中曾每几年发生过一次外壁粗糙层因高温氧化而大面积脱落的现象，可能有的焊缝区外壁粗糙层未完全车去，运行后脱落。随着炉管剖析、UT技术的采用，后来不再测量外径。
花腔女高音3)焊缝区渗透探伤。80年代初曾进行过抽查。由于只能检测开口型缺陷，而转化管在裂纹扩展到外壁前已经失效，对在役炉管的检测特别是寿命预测意义不大。但是对检测新的或使用初期的炉管有无原始铸造缺陷(针孔甚至表面线性缺陷)，仍是十分必要的。
4)表面复膜金相在炉管服役初期可观察转化管、上升管中碳化物聚集长大—形成空洞—连成微观裂纹
的过程。虽然不能代表断面组织，但外壁温度更高，外壁与断面的组织是有联系的；断面检验只有割管后才能进行；因此表面复膜金相可作为炉管检验的补充手段。一旦外壁观察到空洞或微观裂纹，每次大修时对炉管逐根超声波探伤就十分必要了。
由于下集气管是轧制的，正常情况下保温良好，内外壁温差不大，外表面与断面、内表面的组织应差异不大，其它检验手段受到条件限制，因此表面复膜金相作为下集气管检验的主要方法之一。
5)焊缝区射线照相。射线照相成本高、工期长，灵敏度有限且准确定量较难，不宜作为大面积普查，但可作为对UT结果的验证手段之一。同时，由于焊缝区目前仍是UT的盲区,RT仍是对焊缝区周向裂纹的主要检测手段，尤其在炉管寿命的中后期。
RT时不必抽出管内的催化剂。为了能尽可能定量，应做模拟试验。
1995年大修中对W1(转化管炉顶处异种钢焊缝为W0，加热段同种钢焊缝自上而下依次为W1、W2、W3)、W2焊缝全部、W3焊缝大部分RT，对裂纹深度超过12mm的管子37根全部更换; 1996年大修中对上年RT判断裂纹深度8～11mm 的部分管子W1、W2焊缝RT，对裂纹深度超过12mm的管子17根全部更换。考虑管排已服役近20年，特别是RT只能从底片黑度判断裂纹深度，不可避免地有偏差，同时有已决定报废，但肯定能安全用2～3年的转化管。
512 割管剖析
割管剖析就是通过对已服役的炉管取样，进行试验、检验、研究，探索炉管的失效机理，预测剩余寿命与炉管判废。关键之一是选取的管子是否具有代表性。虽然剖析时间长、费用高，但在炉管UT技术开发出来之前，是判断竖琴管排寿命的主要手段。
随着炉管超声波检测技术的引进与开发，炉管剖析的取样更具有针对性。UT与炉管剖析相互结合、互为补充，成为炉管判废与剩余寿命预测的主要方法。虽然从炉管使用厂维持装置运行的角度更重视炉管UT，但从检测者来讲应结合炉管剖析，验证并提高检测评定的准确性。
影响炉管寿命的因素很多，但对特定的炉子而言，管排的设计制造质量与安装质量已定，正常情况下由内压引起的应力、管内介质的组分、流量
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第5期侯德民1K ellogg型一段转化炉管理22年
可看成常量，管壁温度成为影响炉管寿命的最主要因素。随着炉管服役期延长，管壁温度、温差应力的变化，炉管的微观组织、力学性能相应变化，剖析通常从这两方面进行。泸天化公司与南京化工大学长期合作，结合其它院校的剖析与研究资料，弄清了高温合金炉管中碳化物聚集长大—形成蠕变孔洞—连成微观裂纹—裂纹扩展—破裂的机理。通过剖析，认为σ相的析出与形态对炉管寿命影响并不是很大。
长期以来，南京化工大学对炉管力学性能随服役期—管壁温度—温差应力而变化这方面做了很多工作，取得了有价值的研究成果。进行不同服役期炉管的持久强度、蠕变强度、高温冲击韧性试验,C形试样裂纹扩展试验，用薄板弯曲自由振动理论(即频率法)分层测定炉管沿壁厚的蠕变损伤分布等等，积累了大量的数据。在不同服役期炉管的蠕变加速试验的基础上，用K因子修正K achanov损伤累积理论，评价炉管剩余寿命，建立计算模型计算炉管的剩余寿命，将使用温度与开停车次数分别作为变量包含在数学模型之中，开发出炉管剩余寿命预测(PR LFT)软件。这些工作对验证炉管UT的准确性，修正C级管评定标准，提供了参照依据，对结合UT检测安全评定炉管寿命，掌握在役炉管的状况及其变化趋势，延长整炉管排的使用寿命，具有理论和现实意义。
此外，对转化管炉顶段的剖析表明,A161经过十多年在管壁温度500℃下使用，并未产生珠光体石墨化;1988～1997年在460℃继续使用，安然无恙。
513 炉管超声波检测系统的引进与研究开发炉管超声波检测技术是美国C onam公司率先开发的。它可以在不卸催化剂的情况下逐根快速检测炉管，根据裂纹状况，判断出严重劣化的炉管(通常称为C级管)，以便及时单根更换，保障全炉炉管的安全运行。这一技术成熟、判断准确，对延长昂贵的高温合金炉管的股役期，特别是保障K ellogg型炉的安全运行，有极其重要的作用。化工部决定由泸天化公司引进这一先进技术。
检测原理是利用直探头局部水浸穿透法，发射探头发出的超声波波束经过水/钢界面折射，穿过炉管被检测断面，再经过水/钢界面折射，被接收探头接收。在波束经过检测断面时，材料中的不连续(使用后因蠕变产生的裂纹，原始铸造时的夹杂、疏松缺陷等)对超声波的衰减比在完好、致密的材料中更大。检测信号衰减程度是对蠕变裂纹形态(包括径向深度、周向宽度、轴向长度、密集程度、空间走向等等)及材料中其它各种不连续的综合反映。从对炉管失效角度来看，最主要是蠕变裂纹；正常情况下，炉管失效主要是蠕变裂纹扩展—断裂；原始铸造缺陷很可能是裂纹源，当其未形成裂纹时，对炉管断裂不是主要因素，已形成裂纹后，则可作为裂纹看待；因此从是否需更换炉管的角度，通常用裂纹深度来描述。实际上，同一衰减程度的检测信号可以对应不同的裂纹形态，再加上铸态组织的差异(不同的晶层及其组合，偏析等)，各种干扰因素(炉管外壁面状态，耦合水状况等)，炉管检测后的评定是很复杂的，既强调检测人员的经验积累，又不可忽视炉管纵向(本炉的历史资料)、横向(同一炉型或不同炉型的多台炉)的相互对照、参考。
检测的关键是准确鉴别C级管。一般地，对运行中不能用夹死上下猪尾管的办法将破裂管与系统切断的炉型，对服役期已接近或超过设计寿命的炉管，对运行中有较长的超温史或虽然时间不太长但超过的温度较高的炉管，评级时偏严。为了排除由于外壁灰垢等杂物造成的干扰信号，凡出现C级信号的管段均反复检测几次，如确实是C级管则信号没有明显变化；如系干扰因素则信号会逐步增强。为了准确鉴别C级管，可改变检测灵敏度多检测几次。通常在检测时间/大修时间较紧张的情况下，确认不
是C级管后，很可能没检测到能准确定出A级管还是B级管那样细。若需监测整炉炉管劣化趋势而又要尽可能少占用检测、大修时间，可在整炉转化管中指定少数监测管，首先排除干扰信号后再改变检测灵敏度，检测数次并记录，供逐年分析对比用。
对C级管的评定标准经历了一个认识不断深化的过程。按HG25701第412111i条的定义，在正常工况下不能安全服役一个大修周期的损伤管为C级管。显然不同规格、不同设计/运行参数的炉管数值是不一样的。具体对MWK型炉 i71、MSW1816、δ≈21mm的HK40炉管,1984年C onam定的是裂纹深度占壁厚的一半以上即12mm。1986年9月UT后，对运行81891h的C级管剖析表明,“最大损伤深度2015mm(剩余密实壁厚315mm)，属于15mm以上损伤深度的裂纹密
292大 氮 肥1999年 第22卷
度最大达39条/每环”。一方面，可能是1984年UT 时该处裂纹深度不到12mm (换下最差的7218#未达到12mm )，在这2年间由于某种原因裂纹扩展极快；另一方面此管如此大的损伤还没有在运行中爆管，因此认为原定的对C 级管的评定标准偏严。随着检测经验的积累，参照南京化工大学的剖析和对剩余寿命的研究成果，现在定的C 级管裂纹深度14～15mm (壁厚的3/4)。6 竖琴管排组焊 更换
一般地讲，对有上下猪尾管的炉型没必要全
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炉换管，单根更换即可。但对于K ellogg 型炉，合理决定竖琴管排全炉更换的时机则十分重要：过早，将造成巨大的浪费；过迟，事故爆管停车处理会造成巨大的损失。炉管UT 技术的成功应用，给延长全炉竖琴管排的寿命创造了极为有利的条件。决定管排全炉更换时机的因素主要有:C 级管有无上升趋势；每年更换、累计更换的C 级管数；焊缝区裂纹状态(深度、密度等)；年生产计划及检修期；备件、大型机具、劳力组织等。对HK 来说，服役期16～18年时全炉更换较为合适。
由于K ellogg 型竖琴管排对炉管可靠性要求比其它炉型更高，迄今为止，国内各厂除泸天化公司本次更换的外，全部从国外进口。1997年11月，由四川化工机械总厂制造炉管加热段，泸天化公司自己组焊的第一炉国产竖琴管排投入使用。现在，这炉竖琴管排已高负荷服役近两年，一切正常。第一炉国产竖琴管排的成功投用，标志着重大装备国产化大大向前迈进了一步。
7 经验总结
1990年化工部组织编写设备维护检修规程。
以部颁规程把化工系统所属各厂关键设备的维护
检修工作标准化、法规化，化工部还是首次。HG 25701293《一段转化炉(1012B )维护检修规程》由泸天化公司负责编写。此规程借鉴了各大化肥厂一段炉维护检修的经验教训，是一段炉技术管理十几
年的全面总结。此规程内容充实，数据与图样反复与国外A 厂原版资料核实；特别是检修方法与质量标准、附录D 两章中列举了主要项目典型的检修程序与质量控制要点，可分别作为单项检修技术方案直接引用，也可适当补充，作为施工方案使用。此规程对提高各大化肥厂一段炉维护检修水平会起到很大的作用，对有类似转化炉、制氢炉的中小化肥厂、甲醇厂也具有较强的参考价值。8 结语
经过22年来长期坚持不懈的努力，特别是围绕炉管判废所进行的一系列工作，取得了K ellogg 型竖琴管排稳产高产服役161017h 、生产合成氨6535577t 的优异成绩。更换一炉竖琴管排以购置费、材料、机具、安装费3000万元计算，每延长使用寿命1年相当于节省开支200万元。管好用好一段炉，已经给企业带来了巨大的经济效益。
致谢：本文承蒙颜维琪副总工程师审阅并提出宝贵意见，在此致以诚挚的谢意。
22YEARS ’MANAGEMENT OF KE LLOGG PRIMAR Y REFORMER
H ou Demin
(Lutianhua Group Inc 1,Luzhou ,646300)
Abstract The article reviews 22years ’management of the Primary reformer and briefs the au 2thor ’s understanding and w orking experience in extending the lives of the reforming tubes 1Careful mainte
nance is the foundation for life extension of the tubes and the overhaul is a key sector to guar 2antee the stable operation of the tubes while the study on tube rejection time provides basis for the re 2placement of the tubes in proper time 1The im ported ultras onic tube detection system and the research and development results play an im portant role in ensuring safe operation of the K ellogg reformer 1A record that a furnace of K ellogg harp rows ran for 161,017hours with high production of amm onia 65,355,771tons and low consum ption is set 1
K ey w ords :Primary reformer ,H 1T 1alloy tubes ,remaining life ,economic results
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92第5期侯德民1K ellogg 型一段转化炉管理22年
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