變換爐卸料口裂紋的產(chǎn)生原因及卸料口優(yōu)化改造方法

馮含卓 劉華 李彥東

摘 要：針對(duì)水煤漿氣化工藝下游的變換爐卸料口短接管與加強(qiáng)管之間焊接處易出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，本方法通過(guò)分析其裂紋產(chǎn)生的原因，并針對(duì)該原因?qū)ψ儞Q爐的卸料口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，能夠有效的解決卸料口短接管與加強(qiáng)管之間的焊接處裂紋問(wèn)題，消除設(shè)備運(yùn)行的安全隱患。

關(guān)鍵詞：變換爐;卸料口;裂紋;優(yōu)化改造

0 前言

鄂爾多斯市昊華國(guó)泰化工有限公司40萬(wàn)t/a煤制甲醇項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)先進(jìn)工藝水平的煤制甲醇項(xiàng)目，氣化裝置采用華東理工大學(xué)四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐，后系統(tǒng)變換裝置采用耐硫變換配氣工藝，低溫甲醇洗采用惠生工程公司的6塔凈化流程，甲醇合成采用華東理工大學(xué)的“管殼外冷-絕熱復(fù)合式固定床催化反應(yīng)器”專利技術(shù)。其中變化爐設(shè)備為煤制甲醇工藝流程中調(diào)節(jié)水煤氣氫碳比的重要設(shè)備，對(duì)整個(gè)工藝生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。

我公司變換爐設(shè)備的生產(chǎn)廠家為中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠，該變換爐自2015年8月份投料運(yùn)行以來(lái)，一直運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足生產(chǎn)要求。2018年7月份發(fā)現(xiàn)變換爐卸料口損壞，2018年10月份對(duì)卸料口進(jìn)行優(yōu)化改造，優(yōu)化改造后運(yùn)行至今設(shè)備運(yùn)行狀況處于良好狀態(tài)。

1 變換爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用工況

我公司的變換爐結(jié)構(gòu)為立式圓筒型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。變換爐容積為100.1m3，內(nèi)徑為3600mm，高度為14250mm，殼體厚度為122+6mm，封頭厚度為75+6mm，殼體重量為139250kg，充重重量為239350kg;殼體和封頭材質(zhì)為SA387Gr.11CL2+S.S材料，與設(shè)備相連接的接管、法蘭采用SA182F11CL.2+S.S和S32168IV級(jí)鍛件，所有接管均采用嵌入式整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu);考慮介質(zhì)的腐蝕性，在設(shè)備內(nèi)壁堆焊為6mm厚的321材質(zhì)的不銹鋼耐腐蝕層。

變換爐筒體內(nèi)設(shè)置2層催化劑觸媒床層，上層催化劑的裝填高度為1900mm，上層催化劑頂部和底部各裝填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;下層催化劑的裝填高度為2720mm，下層催化劑頂部和底部也各裝填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;變換爐鍋底全部裝填Ф50mm的耐火瓷球。

變換爐底部和中部各設(shè)置有一個(gè)卸料口，如圖2所示，以方便在更換內(nèi)部催化劑及氧化鋁瓷球作業(yè)時(shí)，可以打開卸料口的盲法蘭蓋，進(jìn)行可控制的連續(xù)的卸料作業(yè)。

變換爐內(nèi)的介質(zhì)特性：變換爐內(nèi)介質(zhì)為四噴嘴水煤漿氣化工段產(chǎn)出的水煤氣，經(jīng)變換反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為甲醇合成工藝用變換氣，其特性為高溫高壓、易燃易爆，介質(zhì)毒性為中度，設(shè)備運(yùn)行工況較為苛刻。

變換爐的工作原理：我公司變換爐采用傳統(tǒng)的、成熟的軸向變換工藝，CO的變換率高，變換爐的進(jìn)出口阻力降穩(wěn)定，壓力損失小，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響小，有利于長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。變換爐工作時(shí)，至自上游工段過(guò)來(lái)的水煤氣預(yù)熱后經(jīng)變換爐頂部入口進(jìn)入上層催化劑進(jìn)行變換反應(yīng)，反應(yīng)后的工藝氣體穿過(guò)上層催化劑后繼續(xù)進(jìn)入下層催化劑進(jìn)行變換反應(yīng)，反應(yīng)后的工藝氣體最終經(jīng)由變換爐底部的集氣口匯總后送出，工藝介質(zhì)中的H2O和CO在催化劑及熱量的作用下，最終轉(zhuǎn)變成為H2和CO2，同時(shí)釋放出大量的熱量，少部分熱量保留在變換爐內(nèi)以維持催化劑床層溫度恒定并做為變換反應(yīng)的熱源，大部分熱量隨反應(yīng)后的工藝氣移出變換爐，做為變換爐入口水煤氣的預(yù)熱熱源，多余的熱量進(jìn)入余熱回收工段，回收反應(yīng)余熱，副產(chǎn)0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa三種壓力等級(jí)的飽和蒸汽。

2 卸料口存在的問(wèn)題

我公司變換爐自2015年8月份投料開車以來(lái)，嚴(yán)格按照工藝指標(biāo)進(jìn)行操作。2017年9月份進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)，對(duì)外部筒體和接管進(jìn)行了超聲、磁粉、滲透、測(cè)厚等一系列檢測(cè)，未進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)，外檢結(jié)果顯示設(shè)備狀況良好。

2018年3月我公司利用變換爐更換催化劑的機(jī)會(huì)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行了磁粉、滲透等一系列檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷，沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕減薄的現(xiàn)象，內(nèi)襯狀況良好。

2018年7月份，在變換爐正常運(yùn)行使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變換爐下部卸料口根部有可燃?xì)怏w及水蒸汽泄漏，如圖3所示，經(jīng)停車檢查確認(rèn)，泄漏部位為變換爐下部卸料口，進(jìn)一步檢查結(jié)果如下：

①環(huán)向?qū)咏宇^整圈（斷續(xù)）存在超標(biāo)缺陷，深度（距外表面）范圍3.2mm～17.4mm;

②距焊縫約30mm范圍母材存在10處超標(biāo)缺陷，深度（距外表面）范圍3.1mm～17.4mm，且缺陷大多呈橫向（或斜向）特征;

③缺陷附近可能有數(shù)條缺陷（分叉或網(wǎng)狀），為方便標(biāo)識(shí)，將反射信號(hào)超過(guò)判廢線作為記數(shù)原則，共計(jì)10處超標(biāo)缺陷。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，我公司在經(jīng)過(guò)相關(guān)質(zhì)檢部門的許可后對(duì)卸料口進(jìn)行了初步的修復(fù)工作。通過(guò)著色檢測(cè)來(lái)配合確定裂紋位置，再利用碳弧氣刨將裂紋祛除，直至著色檢查不再有裂紋為止，而后采用焊條進(jìn)行手把焊堆焊修復(fù)，最后進(jìn)行熱處理和壓力試驗(yàn)，維修后的卸料口運(yùn)行至2018年10月份，在此期間未發(fā)生泄漏情況。

2018年10月份，我公司在生產(chǎn)系統(tǒng)停車檢修期間計(jì)劃對(duì)變換爐卸料口泄漏問(wèn)題進(jìn)行徹底的解決，通過(guò)對(duì)卸料口的短接管與加強(qiáng)管之間的焊縫切割發(fā)現(xiàn)，上次維修后經(jīng)過(guò)3個(gè)月的運(yùn)行使用，卸料口部位再次出現(xiàn)裂紋缺陷，缺陷情況見(jiàn)圖4、圖5所示。

根據(jù)變換爐的使用情況分析，我公司變換爐卸料口產(chǎn)生裂紋的主要原因如下：

①異種鋼焊接。卸料口加強(qiáng)管（材質(zhì)SA182F11CL.2+S.S）與卸料口短接管（材質(zhì)0Cr18Ni10Ti）之間的焊接為異種鋼焊接，異種鋼焊接本身的強(qiáng)度較同種鋼焊接強(qiáng)度低;

②設(shè)計(jì)缺陷。由于變換爐卸料口管線總長(zhǎng)度約1600mm，且位于變換爐裙座外部，卸料口位置的介質(zhì)長(zhǎng)期處于無(wú)流動(dòng)狀態(tài)，形成死區(qū)，變換爐水煤氣中的水蒸氣在卸料口底端很容易冷凝，水煤氣中的H2S、CO2等介質(zhì)在液態(tài)水中不斷地溶解形成飽和溶液，并呈現(xiàn)酸性環(huán)境，在合適的溫度條件下易造成設(shè)備腐蝕;

③露點(diǎn)腐蝕。經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)卸料口損壞部位的腐蝕以穿透性的裂紋為主，而此部位的溫度也長(zhǎng)年維持在較低的溫度狀態(tài)下，有利于露點(diǎn)腐蝕情況的發(fā)生。

3 卸料口優(yōu)化改造方法

基于以上對(duì)變換爐卸料口損壞情況的原因分析，簡(jiǎn)單通過(guò)常規(guī)的方法對(duì)卸料口進(jìn)行維修后設(shè)備可能仍然會(huì)再次損壞的情況，要想徹底解決該問(wèn)題，必須消除卸料口在運(yùn)行過(guò)程中存在的死區(qū)以及介質(zhì)冷凝后對(duì)異種鋼焊接腐蝕等一系列缺陷，通過(guò)改善卸料口的運(yùn)行使用環(huán)境，才能從根本上解決該問(wèn)題。

同時(shí)，根據(jù)對(duì)催化劑裝填工作的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)的催化劑卸料工作基本習(xí)慣于通過(guò)卸料口卸料，卸料過(guò)程中催化劑粉末揚(yáng)塵大，對(duì)作業(yè)人員及環(huán)境危害大。隨著催化劑裝填技術(shù)的發(fā)展，目前催化劑卸料已逐步開始使用抽真空法卸料，卸料時(shí)將吸料管插入催化劑床層中，通過(guò)抽真空設(shè)備產(chǎn)生負(fù)壓使催化劑經(jīng)吸料管抽出設(shè)備，作業(yè)過(guò)程中可以減少催化劑粉末揚(yáng)塵對(duì)作業(yè)人員及環(huán)境造成的危害，且對(duì)于規(guī)格為Ф50mm的瓷球也可輕松卸出，抽真空法卸料原理如圖7所示。

根據(jù)以上思路，在取得相關(guān)質(zhì)檢部門的許可后，我公司對(duì)變換爐卸料口采取了以下兩歩方法進(jìn)行維修改造：

①對(duì)原有的卸料口加強(qiáng)管與短接管的異種鋼焊接處裂紋進(jìn)行修復(fù)處理，恢復(fù)原有的卸料口結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作工況，在卸料口接管上做好標(biāo)記，采用等離子將卸料口短接管與上部加強(qiáng)管和下部法蘭處的兩道焊縫切割開，將加強(qiáng)管和法蘭處的原有的焊肉及裂紋去除干凈，并對(duì)加強(qiáng)管內(nèi)部的堆焊層進(jìn)行修復(fù)，堆焊修復(fù)完成后進(jìn)行100%PT檢測(cè)，符合NB/T47013-2015 I 級(jí)合格。按原卸料口管道規(guī)格尺寸截取一段新的相同規(guī)格的短接管，打磨坡口，并與加強(qiáng)管和原法蘭焊接，焊接時(shí)采用GTAW+SMAW焊接，作業(yè)過(guò)程中控制道間溫度≤150℃，焊后進(jìn)行100%PT、100%RT檢測(cè)，符合NB/T47013-2015 I級(jí)合格，焊接規(guī)范要求見(jiàn)表1和表2;

②加工制作一合適材質(zhì)和尺寸的堵頭，從變換爐鍋底的卸料口加強(qiáng)管開孔處進(jìn)行堵塞焊接，徹底隔離卸料口與變換爐之間的連接通道，消除運(yùn)行死區(qū)。

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行條件，由設(shè)計(jì)院核算并出具堵頭的規(guī)格尺寸，如圖8所示，材質(zhì)采用321不銹鋼，堵頭與變換爐下封頭處的角焊縫進(jìn)行密封焊接，角焊縫高度為15mm，焊接時(shí)采用SMAW填充焊滿，焊接時(shí)控制道間溫度≤150℃，焊后進(jìn)行100%PT檢測(cè)，符合NB/T47013-2015 I級(jí)合格，焊接技術(shù)規(guī)范見(jiàn)表3所示。

4 優(yōu)化改造效果

改造前，卸料口的作用在于對(duì)催化劑進(jìn)行卸料作業(yè)，據(jù)工藝要求，催化劑每3～4年需更換一次。卸料口改造后在保障不影響催化劑卸料的情況下取消了該卸料口的卸料作用，同時(shí)也消除了卸料口在運(yùn)行過(guò)程中存在的死區(qū)以及介質(zhì)冷凝后對(duì)異種鋼焊接腐蝕等一系列缺陷，改善了卸料口的運(yùn)行使用環(huán)境，保障了設(shè)備可以長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，從根本上解決了卸料口損壞的問(wèn)題。

同時(shí)，從安全角度來(lái)出發(fā)，改造后的變換爐從2018年10月份運(yùn)行至今已接近兩年時(shí)間，經(jīng)過(guò)運(yùn)行觀察，卸料口未發(fā)生泄漏情況，卸料口泄漏問(wèn)題已經(jīng)得到徹底解決，設(shè)備的安全運(yùn)行隱患得到消除。從工藝使用角度出發(fā)，卸料口改造后，對(duì)變換爐的工藝運(yùn)行參數(shù)也無(wú)任何影響。從成本效益角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)卸料口的改造維修，節(jié)省了卸料口頻繁出現(xiàn)損壞后的設(shè)備維修成本，同時(shí)也減少了因卸料口問(wèn)題造成的生產(chǎn)系統(tǒng)開停車損失等，直接降低了公司的生產(chǎn)成本費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比同行業(yè)該類型變換爐設(shè)備的使用情況來(lái)看，卸料口問(wèn)題屬于比較常見(jiàn)的一類設(shè)備故障，因此有必要從設(shè)備的設(shè)計(jì)選型上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，針對(duì)該問(wèn)題，本文提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn)供參考：

變換爐在設(shè)計(jì)選型上可以考慮增加卸料口的伴熱措施，保障設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中卸料口和設(shè)備本體始終處于同一溫度狀態(tài)下，避免死區(qū)介質(zhì)冷凝后腐蝕卸料口。

①取消現(xiàn)有的常規(guī)卸料口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用更加環(huán)保有效的抽真空卸料措施，從源頭上消除變換爐卸料口存在損壞的安全隱患;

②采用更加新型高效的變換反應(yīng)器，如軸徑向變換反應(yīng)器等，該類型的變換反應(yīng)器具有雙層結(jié)構(gòu)，催化劑盛裝在反應(yīng)器內(nèi)部的觸媒框內(nèi)，催化劑床層在操作過(guò)程中可以做到無(wú)溫差運(yùn)行，催化劑卸料口直接與反應(yīng)器內(nèi)部的觸媒框相連接，卸料口焊接部位始終處于反應(yīng)介質(zhì)的包圍中，不存在死區(qū)情況，設(shè)備整體使用壽命將大大延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫明達(dá).料倉(cāng)內(nèi)粉粒體物料重力流對(duì)卸料口尺寸的影響[J].石油化工設(shè)計(jì)，2012（03）.