甲醇合成塔環(huán)焊縫裂紋缺陷的修復(fù)

苗付杰

(盛隆化工有限公司，山東 滕州　277519)

甲醇合成塔是甲醇生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，操作壓力高，為三類壓力容器。甲醇合成塔一旦出現(xiàn)事故，不僅會造成甲醇生產(chǎn)裝置全線停車，甚至有可能會造成人員傷亡。因此，做好甲醇合成塔的維修工作，保證維修質(zhì)量，顯得尤為重要。下面就某公司10萬t/a甲醇生產(chǎn)裝置甲醇合成塔筒體環(huán)焊縫裂紋缺陷及修復(fù)過程作簡要介紹。

1　甲醇合成塔結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

該甲醇合成塔為管殼式結(jié)構(gòu)，管程裝填C309銅基催化劑，殼程內(nèi)部是鍋爐水。筒體材質(zhì)為13MnNiMoNbR，筒體直徑3400 mm，筒體壁厚42 mm。換熱管材質(zhì)為SAF2205雙相鋼。管板材質(zhì)是20MnM Ⅳ+堆焊。球形封頭材質(zhì)為15CrMoR。

圖1　甲醇合成塔現(xiàn)場

2　甲醇合成塔主要工藝技術(shù)參數(shù)

表1　主要工藝技術(shù)參數(shù)

表2　入塔氣組成

3　甲醇合成工藝流程簡介

從合成氣壓縮機出來的合成氣壓力為4.0～5.9MPa，溫度為80℃。合成氣經(jīng)過氣氣換熱器的殼程時被來自甲醇合成塔的熱氣體預(yù)熱到205～225℃，然后進(jìn)入甲醇合成塔的頂部。

甲醇合成塔是一個管殼型反應(yīng)器，管內(nèi)裝有C309銅基催化劑。當(dāng)合成氣進(jìn)入催化劑層后，H2與CO、CO2反應(yīng)生成甲醇和水，同時還有微量的其它雜質(zhì)生成。主反應(yīng)：

合成甲醇的兩個反應(yīng)均為強放熱反應(yīng)，必須在反應(yīng)過程中不斷的將熱量移走，反應(yīng)才能正常進(jìn)行。 從轉(zhuǎn)化工段來的鍋爐水，壓力為4.1 MPa，溫度為170～190℃，送入甲醇合成塔頂部的汽包。汽包與甲醇合成塔殼程之間由上升管和下降管進(jìn)行連通，實現(xiàn)鍋爐水和蒸汽的循環(huán)。甲醇合成反應(yīng)釋放出的熱量大部分由合成塔殼側(cè)的鍋爐水帶走，同時產(chǎn)生3.9MPa、249℃的蒸汽，被減溫減壓到0.5MPa、158℃左右送往低壓蒸汽管網(wǎng)。通過控制汽包壓力來控制催化劑層溫度及合成塔出口溫度。為保證鍋爐水質(zhì)量， 防止鍋爐水結(jié)垢，需要往鍋爐水中連續(xù)注入5%(wt)的磷酸鹽溶液。

合成塔出口壓力為5.6MPa、溫度為 255℃的反應(yīng)氣進(jìn)入氣氣換熱器的管程時與入塔合成氣逆流換熱，被冷卻到90℃左右。

從氣氣換熱器管程出來的混合氣體進(jìn)入變頻蒸發(fā)冷卻器被冷卻至≤40℃，甲醇被冷凝成液體，再進(jìn)入甲醇分離器分離出粗甲醇。 分離出粗甲醇后的氣體，壓力為5.45 MPa，溫度為40℃，返回到合成氣壓縮機的循環(huán)段。分離出的粗甲醇被減壓到0.5 MPa送到閃蒸槽。閃蒸出來的氣體送往燃料氣管網(wǎng)作為燃料，閃蒸槽內(nèi)的粗甲醇被送往甲醇精餾工段進(jìn)行精餾提純。

4　甲醇合成塔環(huán)焊縫裂紋缺陷簡介

該甲醇合成塔于2006年投入使用，在2014年12月中旬甲醇合成塔筒體環(huán)焊縫出現(xiàn)蒸汽泄漏。甲醇系統(tǒng)停車后，拆除合成塔外部保溫層發(fā)現(xiàn)泄漏點為 2 mm的氣孔。對缺陷處預(yù)熱后進(jìn)行碳弧氣刨，發(fā)現(xiàn)在表面氣孔下約10 mm處出現(xiàn)連貫裂紋，長約200 mm。后對整條環(huán)焊縫進(jìn)行超聲波檢測發(fā)現(xiàn)其他部位存在長短不一的裂紋，裂紋深度不等。甲醇合成塔的筒體材質(zhì)為13MnNiMoNbR，該材質(zhì)有延遲裂紋傾向，初步判斷甲醇合成塔環(huán)焊縫存在的裂紋為延遲裂紋。

5　現(xiàn)場返修

鑒于合成塔環(huán)焊縫存在的裂紋不僅長度較長，而且位置較深，為確保今后合成塔運行安全，需對整條環(huán)焊縫進(jìn)行返修。

因為正值冬季，考慮到風(fēng)雪因素，返修前在合成塔周圍用阻燃防雨布搭建防風(fēng)圍擋，確保在返修過程中不受外界風(fēng)雪因素的影響。

在用碳弧氣刨清除焊縫缺陷前將整條環(huán)焊縫用電加熱帶進(jìn)行加熱至150℃并保溫。為防止焊接應(yīng)力集中，消除焊縫缺陷及焊接采用對稱作業(yè)，將整條環(huán)焊縫按對角線依次分區(qū)返修。為防止現(xiàn)有裂紋繼續(xù)延伸，在各分區(qū)交界處用電鉆打止裂孔。

用碳弧氣刨清除焊縫缺陷后再用角磨機打磨焊接坡口。焊縫坡口用角磨機打磨成U形外坡口，坡口底部應(yīng)圓滑。坡口表面應(yīng)打磨出金屬光澤，不能有碳弧氣刨留下的氧化層。打磨好坡口后，進(jìn)行滲透檢測，確認(rèn)裂紋是否全部清除。

經(jīng)滲透檢測缺陷全部清除后才能實施焊接作業(yè)。為保證焊縫金屬具有良好的韌性和塑性，焊接時采用承壓設(shè)備專用超低氫低合金鋼焊條J607NiR，焊條 4 mm。焊前焊條須經(jīng)380℃烘焙1～2 h，隨烘隨用。焊接時采用短弧操作，窄道焊方法，焊接電流140～170A。焊接過程中要保證焊縫溫度在150℃以上。溫度低于150℃時立即停止焊接作業(yè)，對焊縫進(jìn)行加熱。

為防止焊后延遲裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)一個對角線上的分區(qū)焊縫焊滿時要立即對焊縫進(jìn)行消氫處理，以加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出。消氫處理加熱溫度應(yīng)達(dá)到(330±20)℃，保溫2 h后使之緩慢冷卻至常溫。為保證加熱均勻，加熱帶要并聯(lián)布置。熱電偶點焊在環(huán)焊縫上，焊釘采用J607NiR焊條。保溫帶要保證完全覆蓋加熱帶并向外側(cè)各延伸600 mm，保溫層厚度約100 mm。

冷卻至常溫后將焊縫進(jìn)行打磨，確保焊縫與母材平滑過渡。因為在熱處理過程中也有產(chǎn)生裂紋等缺陷的可能，所以焊縫外觀檢查合格后仍要將整條環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉檢測和超聲波檢測。

為防止環(huán)焊縫變形和產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，在磁粉檢測和超聲波檢測合格后應(yīng)對整條環(huán)焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力。消除應(yīng)力熱處理的加熱溫度為(620±20)℃，加熱寬度為焊縫上下各300 mm范圍，保溫3 h后使之緩慢冷卻至常溫，這樣可以使焊縫殘余應(yīng)力得到松弛和穩(wěn)定。消除應(yīng)力熱處理后要對整條環(huán)焊縫再進(jìn)行一次磁粉檢測和超聲波檢測。

磁粉檢測和超聲波檢測合格后對甲醇合成塔殼程做水壓試驗，試驗壓力5.4MPa。殼程做水壓試驗時管程應(yīng)保壓，管程壓力不低于2.5MPa。水壓試驗合格后要對整條環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉檢測。磁粉檢測合格說明環(huán)焊縫所有的缺陷都已經(jīng)消除，可以恢復(fù)投用合成塔進(jìn)行甲醇生產(chǎn)。

6　甲醇合成塔的使用及維護經(jīng)驗總結(jié)

在甲醇生產(chǎn)過程中要確保甲醇合成塔的各項工藝指標(biāo)始終在正常范圍內(nèi)。當(dāng)合成條件惡化，可適當(dāng)降低生產(chǎn)負(fù)荷，提高汽包壓力。必要時打開放空閥控制系統(tǒng)壓力在指標(biāo)范圍內(nèi)，不得超壓維持正常生產(chǎn)。系統(tǒng)減量要及時提高汽包壓力，調(diào)整循環(huán)量，控制溫度在指標(biāo)范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)壓力時，必須緩慢進(jìn)行，確保合成塔溫度正常。如果壓力急劇上升會使設(shè)備和管道的法蘭接頭和壓縮機填料密封遭到破壞。壓力升降速度一般控制在≤0.4MPa/min。

通過調(diào)節(jié)汽包壓力來調(diào)節(jié)催化劑床層溫度。汽包壓力每改變0.1MPa。床層溫度就相應(yīng)改變1.5℃。因此調(diào)節(jié)汽包壓力一定要勤調(diào)細(xì)調(diào)，根據(jù)生產(chǎn)情況決定調(diào)節(jié)幅度，維持催化劑床層正常操作溫度，避免大幅度波動。

在正常生產(chǎn)中汽包液位一般控制在汽包容積的1/3～1/2之間，這樣既能夠保證合成反應(yīng)熱能夠及時移出，同時也確保汽包蒸汽的及時排放，防止蒸汽出口管中帶水。汽包排污大小也可以對其壓力和液位進(jìn)行微調(diào)，必要時可加大排污量來迅速降低汽包液位和壓力，以調(diào)節(jié)合成塔催化劑床層溫度。

鍋爐水的質(zhì)量對于甲醇合成塔和汽包的安全經(jīng)運行是極其重要的。鍋爐水中的氧是汽包的主要腐蝕物質(zhì)，因此在鍋爐水進(jìn)入汽包前必須對脫鹽水或蒸汽冷凝液進(jìn)行除氧。根據(jù)亨利定律,在一定的壓力下,水的溫度越高,氣體的溶解度就越小。當(dāng)水的溫度達(dá)到沸點時,溶解在水中的各種氣體就會全部逸出。通過控制除氧器頂部壓力在0.01～0.02MPa，鍋爐水溫度在102～104℃，可以使氧從鍋爐水中逸出。