[发明专利]提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法

说明书

本发明提供一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法，包括支管台及集合管母管，所述支管台包括柱状管体，柱状管体的下部外沿延伸有翻边，集合管母管留有与支管台焊接的开孔，翻边与开孔外周焊接连接，翻边与开孔外周焊接焊缝的外侧表面及内侧表面均为V型，本发明结构简单，利用翻边结构能够使支管台包含了母管部分结构，再将支管台与母管连接，相比于转油线整体锻造的方案，具有可行性，成本更低的特点，支管台焊缝和热影响区远离开孔应力最大部位，并且补强金属集中于开孔应力最大部位，有效地降低应力集中系数；新支管台与母管连接为普通对接焊缝，焊接难度小、焊接质量容易保证。

技术领域

本专利涉及石油化工领域，具体涉及一种提高高温集合炉管可靠性的安全结构及操作方法。

背景技术

转化炉是制氢装置的核心设备，转化炉入口管路包括原料气入口集合管及转油线等，起到输送原料气并分配到炉管中的作用，如图1所示，原支管台为常见的马鞍形支管台100，放置于入口集合管母管101开口处上方，支管台下部坡口与入口集合管母管外壁用角焊缝进行连接。

而随着科技和生产力的进步，石油炼制和化工行业规模也在不断增大，特别是随着新能源、环保的要求，对氢气的产能也在日益扩大。而制氢装置转化炉入口集合管大型化后，管径尺寸大大增加，采用上述转化炉管路焊接结构方式在制氢装置入口集合管支管台常常出现开裂情况，导致入口集合管母管安全可靠性大大降低。转化炉大型化后对入口管路造成的影响包括以下方面：

1．大型化后，操作温度提高，对材料的性能提出了更高的要求，一般采用TP321、TP347系列奥氏体不锈钢，但是该系列不锈钢特别是TP347H国内使用应用时间并不长，特别是厚壁管道制造、焊接方面经常出现问题；

2．大型化后，入口管路口径及壁厚增大，管线柔性减小，吸收温差造成的管线热膨胀的性能变差；

3．大型化后，管壁厚度增大，内外壁温度梯度造成的内外壁热膨胀速度不同，收到的内热应力增大；

4．大型化后，管件制造难度加大，制造质量难以保证；

以国内运行最大制氢装置为例，14万标m³/h制氢装置原料气入口集合管操作温度620℃，操作压力3.0MPa，入口集合管母管及支管材质均为TP347H（奥氏体不锈钢）；运行过程中发生过多次转油线主管焊缝裂纹，及支管台焊缝裂纹。主要问题如下：

（1）主管线开口处最大应力区域与分支管支管台焊缝及热影响区基本重合，焊缝承受较大应力，容易导致开裂。

（2）如图2所示，支管台放置在母管上方，与母管表面形成夹角，只能采用角焊缝填充。而焊缝四周角度不同，轴向侧焊接接头102最大角度30°，径向侧焊接接头103最大角度45°，不能连续施焊。焊接过程中无故增加引弧收弧，定位性差、不易操作、焊接应力大，焊接质量难以保证。

（3）而角焊缝本身承载力较差，焊缝需要全焊透情况下才能保证达到预期的力学性能，力学性能难以保证。

（4）由于角焊缝本身性质，无法进行超声波、射线等无损探伤手段，焊接质量难以检验。

（5）支管台以堆焊填充的角焊缝由于焊缝截面积大，各方向焊缝角度不同，造成焊接接头厚度不同，焊缝本身拘束应力极大，受力不均匀。

集合管主管线设计厚度55mm，转油线设计厚度42mm，在开停工过程因为受金属传热速率影响，管路内外壁存在温差，产生温度梯度后，不同的热膨胀量导致内应力。经过计算当内外温差达到一定温度时，由于内外温差造成的内应力也会导致管线开裂。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有石化油化工行业制氢装置，转化炉入口集合管支管台位置经常开裂、运行可靠性差、安全风险高等问题。