轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器泄漏的修復(fù)與分析

韓 波

（中國石油遼陽石化公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器是制氫裝置工藝流程中一臺非常重要的設(shè)備。工藝原料在轉(zhuǎn)化反應(yīng)爐中反應(yīng)后，產(chǎn)生780～850 ℃的轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器冷卻到330～380 ℃，再進(jìn)入中溫變換反應(yīng)器進(jìn)一步反應(yīng)。轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器殼層的操作壓力為4.0～4.5 MPa，操作溫度為230～260 ℃，介質(zhì)為水與蒸汽。該設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜，在制氫裝置中經(jīng)常發(fā)生各種損傷與破壞。本文介紹某煉廠50 000 Nm3/h 制氫裝置中轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器換熱管泄漏原因分析與漏點(diǎn)修復(fù)方案。

1 設(shè)備概況

某煉廠制氫裝置采用臥式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器[1]，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是操作靈活、彈性大、通過中間調(diào)溫機(jī)構(gòu)，溫度調(diào)節(jié)范圍大。在換熱器入口側(cè)內(nèi)襯單層隔熱襯里，為了防止氣流沖刷，在襯里表面增加了Incoloy800 金屬套筒，出口側(cè)內(nèi)襯單層隔熱襯里。由于轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器出入口溫差大，為了減小管板的溫差應(yīng)力、吸收殼體與換熱管之間的熱膨脹差、節(jié)約金屬材料，管板采用柔性薄管板結(jié)構(gòu)。換熱管與管板的鏈接部位熱量高，管接頭及焊縫容易超溫，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，因此在入口換熱管外部增加一個保護(hù)套管，保護(hù)套管與換熱管之間存在一定縫隙，有利于降低換熱管內(nèi)壁溫度。換熱管與管板連接采用強(qiáng)度焊加貼脹形式，強(qiáng)度焊使接頭獲得較高的鏈接強(qiáng)度，貼脹是為了消除殼層鍋爐水的縫隙腐蝕（表1）。

表1 轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器主要工藝參數(shù)

該設(shè)備于2015 年7 月投用，2017 年12 月在停工過程中靠近入口管板的換熱管焊口發(fā)生泄漏。在設(shè)備更換之前，在運(yùn)行中發(fā)生過兩次因換熱管爆裂而發(fā)生泄漏。打開設(shè)備后發(fā)現(xiàn)前后筒體里充滿水，出口側(cè)的耐火襯里由于水侵損壞嚴(yán)重，已經(jīng)無法使用，入口側(cè)襯里發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。

2 泄漏狀況

在設(shè)備停工后，將襯板與耐火襯里清除后，發(fā)現(xiàn)在管板左下部分有兩根換熱管有明顯的裂紋，裂紋長度大約14 mm（圖1、圖2）。在圖2 中裂紋的表面可以明顯看出，焊口有腐蝕現(xiàn)象。

圖1 1 號焊口泄漏

圖2 2 號焊口泄漏

3 原因分析

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器介質(zhì)為轉(zhuǎn)化氣，主要成分有H2、CO、CO2、CH4和水蒸汽（圖3）。根據(jù)管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)、介質(zhì)及操作條件，分析其具體破壞原因有以下3 個方面。

3.1 焊接缺陷

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器共有252 道一樣尺寸的焊口，只有兩道焊口出現(xiàn)裂紋，可能是這兩道焊口在焊接時存在局部缺陷，隨著設(shè)備運(yùn)行時間的增加與現(xiàn)場操作條件的影響，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、發(fā)展，最終開裂。

3.2 氫腐蝕與應(yīng)力不均

該轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器屬于高溫、臨氫設(shè)備，運(yùn)行至近30 個月后，入口側(cè)管板前面是單層隔熱襯里。運(yùn)行一段時間后，耐高溫隔熱襯里由于內(nèi)部存在缺陷或襯里施工時與設(shè)備之間有縫隙，最終開裂。局部襯里受熱不均勻的開裂，使襯里與管板中間出現(xiàn)空隙，無法起到隔熱降溫的作用。襯里前部的襯板是由多塊小的襯板花焊連接，高溫介質(zhì)氣容易穿過焊縫空隙對襯里產(chǎn)生沖擊，加速了隔熱襯里的損壞。

入口管板側(cè)溫度高，有氫氣存在，該部位發(fā)生氫腐蝕。從圖3 可以看出，如果隔熱襯里存在缺陷，轉(zhuǎn)化氣可以通過保護(hù)套管與換熱管中間的縫隙到達(dá)換熱管的焊口處，在一定的壓力與溫度下，與焊縫中的碳化合成甲烷。甲烷因?yàn)槠浞肿虞^大不能從鋼材中逸出，積聚在晶界或夾雜物附近。隨著甲烷氣的增多、壓力逐漸升高，最終導(dǎo)致裂紋和鼓包的產(chǎn)生。氫原子滲入到金屬內(nèi)部，遇到裂紋、氣孔等空隙處會聚集并結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致原微觀裂紋擴(kuò)展。在裝置停工過程中，由于局部溫度高，該處熱應(yīng)力變化較大，在氫腐蝕和熱應(yīng)力共同作用下，導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板之間的焊縫造成破壞。

圖3 管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)

3.3 工藝操作條件

開工還原階段和停工初期轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的壓差最大達(dá)到3.0 MPa，達(dá)到設(shè)備的設(shè)計(jì)條件，在此之前，轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器換熱管發(fā)生過爆裂。通過觀察工藝曲線，在退蒸汽與降溫過程中，存在局部降溫、降壓速度過快現(xiàn)象。根據(jù)材料彈塑性力學(xué)理論，在同樣的約束條件下，同一材料在高溫時長生的塑性變形量越大，冷卻過程產(chǎn)生的內(nèi)部殘余拉伸應(yīng)力也越大[2]，降溫過程中殘余應(yīng)力加速了裂紋的擴(kuò)展。

4 現(xiàn)場修復(fù)經(jīng)驗(yàn)及效果

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器泄漏發(fā)生在冬季，為滿足生產(chǎn)和防凍防凝要求，采取如下修復(fù)方案：

（1）將入口側(cè)泄漏部位以下的襯板切割、襯里清除。制定焊接工藝，由于現(xiàn)場條件限制，采用鎳基焊條，避免了消氫處理。

（2）將保護(hù)套管安裝，在襯板留有襯里料灌入孔，其余部位的襯板與保護(hù)套管點(diǎn)焊固定，如果不焊接固定，在灌入隔熱料時，可能導(dǎo)致保護(hù)套管位置變化，不利于其與襯板的焊接。將隔熱襯里料灌入襯板與管板之間，固化后將襯板與保護(hù)套管滿焊。

（3）將整個襯板的所有焊縫接口全部滿焊，防止工藝氣對隔熱襯里的直接沖擊。對出口側(cè)的所有隔熱襯里清除后，重新澆注，所有接口采用階梯狀搭接形式。在裝置開工時，系統(tǒng)升溫曲線按照襯里的烘干曲線繪制，保證襯里的使用效果。

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器修復(fù)之后運(yùn)行穩(wěn)定，通過一段時間的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)前后管箱溫度在100 ℃左右，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 預(yù)防處理措施

（1）保證制造質(zhì)量。換熱管與隔熱套管數(shù)量多，保證換熱管與管板的脹接質(zhì)量與焊接質(zhì)量。柔性管板結(jié)構(gòu)的管板厚度薄，在以后的設(shè)計(jì)中可以考慮將換熱管與管板采用深U 坡口或者全焊透結(jié)構(gòu)。這樣可以提高焊縫的強(qiáng)度，降低焊縫開裂的風(fēng)險。

（2）襯里結(jié)構(gòu)與襯板焊接型式改變。襯里可以采用雙層結(jié)構(gòu)，外層采用輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱效果好的隔熱材料。內(nèi)層采用密度高，耐高溫沖刷與腐蝕的襯里材料。雙層襯里可有效避免襯里的貫穿性裂紋，防止管板超溫。襯里外部襯板所有的焊縫采用滿焊，避免工藝氣對隔熱襯里的直接熱沖擊和腐蝕。

（3）加強(qiáng)工藝操作。在工藝操作過程中，嚴(yán)格控制溫度、壓力的變化幅度。溫度變化最大不超過50 ℃/h，壓力變化最大不超過1 MPa/h，這樣可以避免溫差應(yīng)力。

（4）提高設(shè)計(jì)壓差。本臺轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)壓差為3.0 MPa，在開停工期間其壓差達(dá)到3.0 MPa，運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)一樣，不利于設(shè)備長期運(yùn)行。今后的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，將設(shè)計(jì)的壓差提高到4.5 MPa 以上，就可以滿足開停車時的工況。