时柯
（兖矿鲁南化工有限公司，山东 滕州277527）
［摘 要］国内大部分合成氨装置变换系统中都发生过管道裂纹而致的泄漏等问题，结合兖矿鲁南化工有限公司240 kt/a合成氨装置变换系统的工况条件及业内的有关情况，对变换系统管道频发裂纹缺陷进行成因分析，认为是湿H2S环境下的应力腐蚀开裂、奥氏体不锈钢晶间腐蚀、Cl-对奥氏体不锈钢的腐蚀破坏、氢腐蚀以及频繁开停车引起的应力集中等多种因素共同作用的结果，需在管道的设计及选材、安装及焊接施工、使用维护、定期检测等方面引起高度重视，严格执行各项规章制度，以便从源头上尽量消除事故诱因，确保系统的安全、稳定运行。
［关键词］合成氨装置；变换系统；管道裂纹；原因分析；腐蚀；应力；预防措施
［中图分类号］TQ113.26+4.2 ［文献标志码］B ［文章编号］ 1004-9932（2020）03-0027-03
0 引 言
煤基合成氨装置变换系统在合成氨装置中作为工艺气调节转化的中转站，其运行的稳定性直接关乎整个合成氨装置的安全、高效运行。
水煤气中含有H2S、COS、NH3等腐蚀性气体，这部分气体在变换系统中无法予以完全去除，在高温高压的环境下会对变换系统的设备、管道等造成很大的危害，加之经过变换反应后原料气中的H2分压越来越高，临氢环境下管道、设备等会因氢腐蚀而造成缺陷，这些隐患往往成为制约合成氨装置安、稳、长、满、优运行的棘手问题。现围绕兖矿鲁南化工有限公司（简称鲁南化工）240 kt/a合成氨装置变换系统管道自投用以来多次出现的缺陷问题进行研究与分析，总结经验教训，寻找解决缺陷问题的有效办法。
1 变换系统流程简介
鲁南化工240 kt/a合成氨装置于2008年投用，其工艺路线为水煤浆气化→变换→NHD净化→氨合成；2017年淘汰落后产能，将NHD净化工艺改为低温甲醇洗+液氮洗工艺。
变换系统采用中变串低变全变换工艺，采用Co-Mo系宽温耐硫变换催化剂，其工艺流程如下：气化系统送来的压力3.80 MPa（A）、温度214 ℃、水气比（水汽/干气）为1.40的水煤气（气体成分：CO 45.80%、H2 36.05%、CO2 16.55%、CH4 0.06%、Ar 0.11%、N2 0.34%、H2S 0.85%、COS 0.05%、NH3 0.19%），先经煤气水分离器分离掉水及煤尘，然后进入中温换热器管程被壳程的第一中温变换炉出口气加热至250 ℃左右，进入第一中温变换炉（第一中温变换炉分为上、下两段，炉内装有两段耐硫变换催化剂，段间配有煤气激冷管线调温）；第一中温变换炉出口气CO含量≤5.0%（干基）、温度为435 ℃左右，经中温换热器壳程与管程的水煤气换热后，进入第一中变废热锅炉副产2.5 MPa中压蒸汽，工艺气降温至260 ℃后进入第二中温变换炉；第二中温变换炉内装有两段耐硫变换催化剂，进行进一步变换反应后，工艺气进入第二中变废热锅炉副产1.3 MPa中压蒸汽，降温至214 ℃后进入低温变换炉；低温变换炉内装有两段耐硫变换催化剂，其出口变换气CO含量≤0.5%（干基），温度升至217 ℃左右，进入低变废热锅炉副产约0.55 MPa的低压蒸汽，变换气温度降至170 ℃；接着变换气进入第一水分离器，分离掉冷凝水后进入低压废热锅炉副产约0.42 MPa的低压蒸汽，变换气温度降至155 ℃左右，再进入第二水分离器分离冷凝水，之后依次经脱盐水加热器、变换气水冷器Ⅰ、变换气水冷器Ⅱ降温至35 ℃，最后进入第三水分离器，分离掉冷凝液后变换气送至低温甲醇洗系统进一步净化。
2 变换系统管道裂纹缺陷概述
变换系统的核心设备包括变换炉、废热锅炉、气水分离器、水冷器等，管道作为介质输送的通道将这些设备串联在一起形成一套完整的系统。气化系统如采用水煤浆气化工艺，一般变换系统压力在4.0 MPa或更高，最高工作温度一般达200～450 ℃，加之内部流通介质的特点，变换系统管道处于一个十分苛刻的工况下，国内大部分合成氨装置变换系统中都发生过管道裂纹而致的泄漏等问题，这些问题主要表现出以下几个特点。
（1）管道出现裂纹缺陷，裂纹一般存在于焊缝附近100 mm的区域，也有少部分存在于管道母材区域，裂纹形状为间断性的短裂纹，穿透性较强，一般从裂纹产生到管道出现泄漏间隔时间较短。
（2）主管道以外的支管，尤其是带有盲肠的导淋管及温度（或压力）监控的接管位置，温度偏低而易形成积液，是裂纹的高发区域。
（3）缺陷多发在材质为奥氏体不锈钢的管道上，裂纹多处存在，疑似晶间腐蚀开裂或应力腐蚀开裂所致。
（4）裂纹一旦出现，管道的可修复价值基本上为零，尤其是在管道再次进行焊接之后，如果焊接方法不当，很容易造成更多的裂纹产生。
3 变换系统管道裂纹原因分析
据变换系统管道裂纹产生时的现象，结合管道的运行工况，分析认为变换系统管道裂纹产生的原因主要有以下几方面。
3.1 湿H2S环境下的应力腐蚀开裂
《钢制化工容器材料选用规定》（HG/T 20581—2011）中规定，当化工容器接触的介质同时符合下列条件时被定义为湿H2S应力腐蚀环境：① 温度≤（60+2p） ℃（p为压力，MPa）；② H2S分压≥0.000 35 MPa，即相当于常温时水中H2S的溶解度≥10×10-6；③ 介质中含有液相水或介质处于水的露点以下；④ pH＜9或有氰化物（HCN）存在。
更多内容详见《中氮肥》2020年第3期