制氢装置中变气管线开裂原因分析与应对措施

制氢装置中变气管线开裂原因分析与应对措施

范秀文

中国石化上海高桥石油化工有限公司

摘要：本文针对某烃类水蒸汽转化制氢装置中变气冷却分离管线开裂问题进行了深入分析，讲述了中变气-除盐水换热器进出口三通开裂后的应急处置，探讨了导致三通管线开裂的主要原因，提出了相应的短期加强包壳措施或工艺流程变更调整措施，并展示了相应措施的实际运行效果。本文通过烃类水蒸汽转化制氢装置介绍、中变气冷却分离管线开裂情况及初期处置、三通管线开裂原因分析、工艺优化中变气副线流程及运行效果、结论与经验总结等内容，旨在为制氢装置出现同类问题后制定处置方案或保障装置安全稳定长周期运行提供参考。

关键词： 制氢装置；中变气；开裂；应对措施

一、烃类水蒸汽转化制氢装置介绍

随着全球对可持续发展和清洁能源的需求日益增长，氢气作为一种能源载体和高价值的化工原料，其生产和应用可以创造经济效益，提高能源供应的灵活性和安全性，促进相关清洁产业的发展。烃类水蒸汽转化制氢技术为未来的能源结构转型和清洁生产提供支持。烃类水蒸汽转化制氢装置可以将天然气、炼厂干气或石脑油等烃类资源转化为加氢装置所需要的高纯度氢气，在促进能源转型、支持工业发展、保护生态环境和推动技术创新等方面发挥着关键作用。

某2.5万标立方米/小时制氢装置采用烃类水蒸汽转化法造气、PSA法净化提纯的工艺路线制取氢气，该装置由膜分离、原料预处理、转化中变反应、中变气冷却分离、PSA提纯、锅炉和酸性水处理等七个部分组成。各烃类原料气经压缩机升压后进入加氢反应器将有机硫转化为硫化氢，再经氧化锌脱硫反应器将原料气的含硫含氯量降至规定指标内。经过预处理的原料气经加热后进入转化炉管内，与锅炉自产水蒸汽在催化剂的作用下反应生成转化气，主要包括反应产物H2、CO、CO2，以及部分残余甲烷和水蒸汽等。转化炉出来的转化气经降温后进入中变反应器，转化气中的CO和水蒸汽反应生成CO2和H2。自中变反应器出来的中变气经四个分液罐降温分出凝液后进入PSA提纯单元，得到纯度99.9%以上的氢气，PSA尾气进入转化炉做燃料气，中变气分液罐凝液进入常压汽提塔脱除CO2等酸性气体后送出装置。

二、中变气冷却分离管线开裂情况及初期处置

该制氢装置分别在2019年1月、2022年8月等时间多次出现中变气-除盐水换热器进出口管线三通部位开裂，严重影响装置安全平稳运行。

2022年8月4日7:10，装置操作人员巡检发现中变气-除盐水换热器E2104周围有气体泄漏声音，排查发现换热器E2104进出口三通骑马口焊缝有裂纹，随即汇报并现场蒸汽保护，后经公司讨论决定装置临停消缺。2022年8月5日16:10，装置中变冷却分离系统降温置换合格后，换热器E2104进出口加装置盲板将开裂的三通管线拆割，并同步进行新三通管线预制。8月6日08:30，新三通管线现场组焊并在新三通外进行加强包壳施焊，三通加强包壳预留检漏口；8月7日11:00，新三通管线及三通加强包壳施工结束，焊缝检验合格；8月7日12:30，换热器E2104进出口盲板拆除，装置开工。

三、三通管线开裂原因分析

通过对装置工艺参数、操作记录、原料及中间产物性质、岗位人员询问等信息确认，排除了生产中的岗位人员操作、设备、工艺方法等的异常问题。通过E2104管程进出口三通开裂特征并查询相关文献可以确定该三通管线的裂纹失效不是单纯的应力腐蚀问题，应属于应力腐蚀与疲劳交互的失效问题。引起失效的因素为：腐蚀介质、敏感材料和拉应力［1］。设备开裂后，可对开裂的焊缝部位和母材进行取样，通过化学成分分析、金相观察、断口观察和硬度测试分析综合判断开裂原因［2］［3］。E2104为中变气-除盐水换热器，管程介质为混合中变气），壳程介质为除盐水。开裂处为管程出口（约50℃）与管程进口跨线（约170℃）三通交汇处，压力约2.2MPa。管线型号材质：321不锈钢（06Cr18Ni11Ti），尺寸:φ325*9.5，三通连接形式为骑马口。装置最近一次三通更换施工在2021年11月，主要进行装置现场三通自由配合组对焊接。2021年12月装置开工正常，即该三通仅投用9个月再次发生开裂问题。

E2104管程进出口三通右侧支管（中变气自中变气第一分液罐D2103顶出口流出）物流温度约170℃、左侧支管（中变气自D2103顶出口经E2104管程换热后流出）物流温度约50℃，在三通处混合后经垂直方向管段向下汇入中变气第二分液罐D2104。由于该制氢装置优先控制公司氢气管网压力，频繁调节产氢量会导致中变气流量频繁大幅波动，加剧温度的波动，在三通冷热交汇处存在交变温差应力，并附加焊接残余应力共同作用导致焊缝开裂。

四、工艺优化中变气副线流程及运行效果

自2008年4月制氢装置投产以来，换热器E2104出口三通骑马口处已多次出现开裂。2022年8月，装置停工进行更换三通并增加加强包壳，延长使用寿命，但三通开裂隐患仍未消除。装置在开裂原因分析的基础上，通过工艺优化该副线流程，提出在中变气-除盐水换热器E2104管程进口中变气管线上新增工艺流程接至中变气空冷器A2101进口管线上。通过新增跨线，减轻中变气-除盐水换热器E2104出口三通骑马口的冷热物流交汇情况，减少热应力冲击对管道设备的影响，降低开裂风险，延长中变气管线使用寿命。

装置平稳运行约8个月后，装置利用2023年5月停工消缺机会，在中变气-除盐水换热器（E-2104）管程进口中变气管线上新增流程至中变气空冷器A-2101进口管线上，并保留原E2104副线流程。新增管线设截止阀并配置气动马达，可实现现场气动开关功能。

变更实施后，分液罐D2103顶出口约170℃中变气部分至换热器E2104冷却后经分液罐D2104分液再流向空冷A2101，部分通过新增流程与冷却分液后的中变气混合后流向空冷A2101，避免了原开裂三通位置处的不同相态冷热物流交汇。装置保留换热器E2104原副线流程，但日常操作时保持其关闭状态。若气温较高，出现空冷A2101冷后温度无法满足装置高负荷运转时，装置可通过增大后续冷却设施冷流负荷或短时恢复换热器E2104原副线流程，平衡各设备设施冷却分离能力，装置也可控制较低的生产负荷，协调由其他产氢装置控制氢气管网压力。

自2023年5月装置开工正常后，装置已平稳运行约13个月，未发生中变气管线开裂问题，中变气冷却分离系统管线开裂问题已得到初步解决。

五、结论及经验总结

1、制氢装置中变气冷却分离系统中物流介质含H2和酸性气体，不仅存在酸腐蚀，还处于应力腐蚀环境中。除选材考虑酸腐蚀而采用奥氏体不锈钢外，还应特别重视焊接残余应力的影响，即使标准规范未强制要求奥氏体不锈钢进行焊后热处理，对这类存在应力腐蚀环境且处于临氢工况的设备，还是应该考虑对易失效的焊接部位进行焊后消除应力热处理［5］ 。

2、制氢装置中变气冷却分离系统中不同温度且存在相态变化的中变气在冷热交汇处存在交变温差应力，并附加焊接残余应力共同作用可导致三通部位焊缝开裂。

3、制氢装置中变气三通部位开裂问题出现后，应立即停工处理。短时可通过更换三通并增加包壳，延长使用寿命，预留检漏口可观察三通本体泄漏情况，但该方法无法消除中变气三通部位开裂隐患。

4、制氢装置可通过工艺优化中变气-除盐水换热器副线或其他存在不同温度且有相态变化的流程，减轻三通骑马口的冷热物流交汇情况，减少热应力冲击对管道设备的影响，降低开裂风险，延长中变气管线使用寿命。如在中变气-除盐水换热器E2104管程进口中变气管线上新增工艺流程接至中变气空冷器A2101进口管线上，投用新跨线流程、停用原副线流程可大幅提高换热器E2104进出口三通使用寿命。

参考文献：

［1］ 王志文，徐宏，关凯书，等．化工设备失效原理与案例分析［M］．上海: 华东理工大学出版社，2010．

［2］ 许颖恒，关凯书，张建晓．制氢装置三通管开裂失效分析［Ｊ］．压力容器，2015，32(10)：61-66．

［3］ 范园渊，王朝平．制氢装置中变气三通支管开裂原因分析［Ｊ］．石油化工腐蚀与防护，2024，41(2)：55-60．