前言
三氧化铀氢还原炉所使用的氢气是通过将氨在裂解炉内高温分解生产的。现场所使用高温裂解炉为梅花型柱状结构现场立式安装使用。主要由内外两部分组成：外部主要由若干个310S耐高温不锈钢管上下两端采用相同材料的碗状封头焊接组成管束；内部主要有一根310S耐高温不锈钢管和上下两个气包组成。如下图所示：
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图1 裂解炉梅花柱状结构示意图
设备运行时，介质由中间钢管自上向下直接进入底部气包，在通过底部气包周围的散射短管向四周均匀分布，并从外部梅花柱状管束底部中进入后自下而上进入顶部气包，在外部管束内的催化剂作用下实现氨的高温裂解出氢气和氮气。此时已被裂解的气体由通过顶部集气包聚集后，通过气包上的出口短管输出。而这种梅花柱高温裂解炉的结构和介质在装置内部的流动可增加氨在装置内的停留时间，并且自内部向四周均匀分散的结构，能够保证使裂解炉各部分的气流均匀，各个管束使用周期寿命几乎统一。其次，整个裂解过程主要在外部管束中进行，加之高温加热炉丝与外部管束达到最小距离的接触，使得整个系统的热效率得到了最大程度的利用。
1.裂纹现状及原因分析
1.1金属材料
该氨裂解制氢装置所有构件均使用的是优质耐热不锈钢310S材质。如下表1，310S材料化学成分特性是以Cr、Ni为基础增加了微量的钼、钨、铌和钛等元素。属于奥氏体铬镍不锈钢系列，其组织为面心立方结构。熔点在1400~1450℃之间，固溶处理在1030~1180℃之间，固溶强化作用下使得强度得到提高，可在1250度的高温环境下长期工作。
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因镍(Ni)、铬(Cr)含量高，所以具有抗腐蚀性能强、耐氧化性、耐高温、使用寿命长等特点。因此具有非常好的多蠕变强度，在高温下能持续作业，常见于制造电热炉管等场合。而现场氨制氢高温裂解炉的运行温度一般在650~800℃之间。因此，该装置选择310S材料作为高温裂解炉的加工材料是能够满足使用条件的。
1.2 温度、应力与腐蚀
1.2.1温度
通过现场设备运行记录数据我们可以发现，设备开始的运行温度在650℃左右，但后期设备一直处在800~870℃的运行环境中。金属材料的塑性虽随着温度的升高而增加，金属的塑性与温度呈正比；但当金属长期处于高温环境下运行时，金属的塑性与时间呈反比。奥氏体型不锈钢由于C元素的存在，虽在高温下有高的强度和蠕变强度。但在温度超过800℃时，其金属材料在性能上开始软化，其许用应力也持续降低。金属的疲劳强度和疲劳寿命明显降低，进一步导致焊缝处母材发生脆性破裂现象。
1.2.2应力
焊接时产生的内应力
通过设备加工制造技术要求，气包与短管处采用氩弧焊工艺。熔合区接近焊缝两侧的母材成为热影响区，在焊接过程中受到热的作用，虽然和影响区中各质点的最高温度都不超过母材的熔点，但各质点所经受的焊接热循环不同，所发生的的组织转变也不同，会在焊缝及热影响区残余应力，只是残余应力的大小分布随其距焊缝的远近而有所不同。
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图3 裂解炉底部气包图
如上图中，图2为裂解炉上部气包，使用时整个装置竖直安装，气包中间与介质入口管道呈套管自由态，气包下部为设计任何支撑气包的间。整个气包周围散射处的短管和外部管束之间均通过焊接。因此，气包的自重由散射状短管本身和气包与短管交接处焊缝承担。而图3位裂解炉底部气包，因在使用时，底部气包与外部管束的底部在同一水平均由自身的底部支撑，气包的重力由自身底部支撑承担，其周围散射短管与其焊缝不承担设备支撑力。
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图5 顶部气包短管处裂纹2
从图2、图3可看出，发生裂纹的焊缝均在上部气包散射短管处的焊缝。从图4、图5，通过对设备上所有焊缝以及母材的调查分析，凡是开裂的焊缝位置均在上部气包与短管的下半部分。我们可以综合得出，短管处圆形焊缝下半部分产生的气包向下的应力表现在短管下半部分为拉应力。
由于设备运行时，内部气流速度过快，同时管束、短管以及气包之间的流通通道截面积体积变化过大，内部气体的流速也存在一定程度的差别，对整个装置的冲击载荷也有所不同，最终导致设备在运行时一直处于振动状态。在加上上部气包的结构固定特点。因此，在设备运行时，整个的运动形式转化为上下振幅的交替振动。这种变载荷引起的应力造成气包与短管处产生的圆形角焊缝下半部分产生频繁的脉冲交变拉应力和焊接残余应力共同作用下造成了高温裂解炉产生开裂的主要原因。
1.2.3 腐蚀
氢脆腐蚀理论认为，在应力作用下金属腐蚀生成的氢被金属吸收，产生氢应变铁素体或高活化氢化物，是金属材料脆化而出现裂纹。应力导向氢致开裂是设备在运行中发生开裂，从表面上看，这些裂纹都是沿着热影响区焊接接头结晶形成的铸造组织的粗晶马氏体带的发展。
影响金属材料的氢脆腐蚀与温度有直接关系。温度太低，氢不易扩散和集结，而温度过高，氢又能自由地向大气中扩散而减少材料中含氢量，因而不会发生氢脆。氢脆的敏感温度为室温。例如，金属材料发生氢脆的敏感温度区间为0~80℃，当环境温度高于80℃时，金属材料基本没有氢脆了。
氢脆产生的裂纹一般表现为从内部开始，而且裂纹几乎不会分叉，但会伴随二次裂纹；而应力作用下的裂纹一般表现为从表面开始，裂纹会分叉，有较多的二次裂纹。我公司使用的氨制氢高温裂解炉运行温度一般在650℃以上。综合图4、图5中的裂纹结构形态，我们可以得出，该种开裂现象并非是由氢腐蚀引起。
2.优化措施
2.1工艺参数控制
氨高温裂解制氢工艺中，裂解温度达到650℃就可以满足，温度越高，装置本身的金属材料性能要求就会越苛刻。目前，310S不锈钢是生产运行经济性较好的材料。通过一定的处理，可以在1200℃环境下长期使用。但在温度超过800℃时，其金属材料在性能上开始软化，其许用应力也持续降低。金属的塑性与温度呈正比，与时间呈反比。金属的疲劳强度和疲劳寿命明显降低。由于后期设备一直处在800~870℃的运行环境中。气包、短管均出现软化现象，并虽时间逐渐加重。同时气包运行时，存在上下振幅的实时振动产出的焊缝出的交变拉应力作用，会加快设备的失效周期。因此，在满足工艺运行的条件下，要严格控制设备的温度，一般情况严禁高于800℃运行。
2.2设备结构优化
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图6 上部气包增加支撑图示
由设备的结构形式，上部气包的相对固定是完全依靠四周均布的短管和圆周管束实现的，气包中部设计为大于进口管径的套管使其进口管径能够从中穿过。虽为了避免金属材料在高温下的热膨胀程度均有所不同，因为该装置内外温度一直，金属材料一直，所以虽存在一定的延展差别。考虑到运行下气包的自重应力和振动产生的交变载荷应力由焊缝承担，很容易引起设备发生安全隐患。因此我们重新设计增加其包底部支撑，具体分为两种方法：其一，在中间进口管道上焊接以环形衬板，并且使其衬板上表面与气包下部在室温下完全贴合。从而达到设备竖直安装运行期间，气包的上下振动可视为以衬板上平面为0点参考，向上位移为正，向下位移为0，可实现短管焊缝处的交变拉应力消失，仅有微弱的挤压应力，对裂纹影响较小；其二，在气包下圆弧并垂直于圆弧面的方向上选择一合适点并向外部管束方向增加支撑短管，使得气包、短管、管束三者之间形成三角形支撑点，可实现气包运行时自重应力和振动引起的交变拉应力转换为气包与管束下方新增支撑短管的挤压力。实现短管处环焊缝交变拉应力的存在，避免了设备开裂现象。
2.3焊接工艺优化
根据设备加工焊接技术要求可知，该处焊接方法为氩弧焊工艺。这种焊接方法虽能有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应；热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，实现单面焊双面成形等特点，但氩弧焊存在熔深浅缺点，焊缝的机械性能不高。将此处的焊接形式由单纯的氩弧焊改为氩弧焊—电弧焊式焊接方法。
在这种较复杂结构件的加工成型过程中采用手工焊焊接方法易于实现。焊接前，焊缝口必须保证30°的坡口，焊接间隙控制在1~2mm之间，并距需焊接焊缝外15mm范围内打磨掉金属表面的氧化层。在第一层采用氩弧焊打底焊接，效率可以提高2-4倍；第二层采用手工电弧焊盖面，可以保证良好的层之间的融合。焊接衬垫热影响区要小得多，焊接接头的变形量小的残余应力。同时，氩弧焊—电弧焊的焊缝较单一的氩弧焊焊缝其机械性能要好的多。
3.结论
设备的可靠性是保证工艺系统安全稳定运行的前提条件，氨制氢高温裂解炉所使用的310S不锈钢材料，能够满足工艺条件的要求，但需要合理控制运行参数和所设计设备的结构形式，否则会影响设备的使用周期。本论文从设备结构合理性、焊接方法的优化，进一步保证了设备本体的可靠性。为工艺系统的安全稳定运行提供了技术理论基础。
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