五塔精餾裝置常壓塔再沸器列管泄漏原因分析及處理措施

李 勇,牛 勇，劉天亮,張世飛

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

1 概況

在化工、石油、制藥、能源等多個(gè)行業(yè)中，換熱器是常用設(shè)備之一。其中，列管式換熱器的應(yīng)用最廣泛。列管式換熱器根據(jù)泄漏位置的不同主要分為列管泄漏和列管與管板間焊縫泄漏。列管式換熱器一旦泄漏，很大程度上會(huì)造成物料浪費(fèi)、工藝操作波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起裝置停車，甚至引起安全事故。

安徽晉煤中能化工股份有限公司現(xiàn)有2套年產(chǎn)25萬t精醇裝置，其中1套采用五塔精餾生產(chǎn)新工藝。該裝置于2016年3月建成投產(chǎn)，正常生產(chǎn)時(shí)以粗醇為原料，依次經(jīng)過預(yù)精餾塔、加壓精餾塔、常壓精餾塔(簡(jiǎn)稱常壓塔)、回收塔、弛放氣洗滌塔處理，分別獲得不同的精醇產(chǎn)品，其原理為利用雜質(zhì)和甲醇之間的沸點(diǎn)及水溶性的差異，通過多次蒸餾及萃取的方法，將雜質(zhì)脫除，從而達(dá)到制得高純度甲醇的目的，實(shí)現(xiàn)混合物分離的操作過程。該裝置開車以來，甲醇消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，但在2018年11月發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

(1) 生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，蒸汽及甲醇消耗量居高不下，噸精醇消耗蒸汽1.35 t、消耗粗醇1.2 t(正常運(yùn)行噸精醇消耗蒸汽1.15 t、消耗粗醇1.05 t)。

(2) 常壓塔雜醇油廢醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5 000×10-6～50 000×10-6(正常運(yùn)行雜醇油廢醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10-6)，造成環(huán)保壓力大。

(3) 常壓塔壓力高達(dá)0.05 MPa(正常工作壓力為0.03 MPa)，且居高不下，嚴(yán)重影響裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

分析認(rèn)為可能是常壓塔再沸器列管泄漏。

2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)及泄漏分析

常壓塔再沸器筒體材料為Q245R，管板材料為20II，列管材料為S30408。常壓塔再沸器殼程工作介質(zhì)為甲醇蒸汽，管程工作介質(zhì)為甲醇水、蒸汽。常壓塔再沸器A、B的技術(shù)參數(shù)見表1。

分析常壓塔再沸器列管泄漏的原因可能為：

(1) 工藝操作不當(dāng)。

常壓塔再沸器A、B在正常操作時(shí)，由于冷、熱甲醇溫度不同，引入時(shí)間不同，使得換熱器殼體和列管的溫度各有差異。此時(shí)殼體和列管的熱膨脹不同，當(dāng)兩者溫差較大時(shí)溫差應(yīng)力可能將列管扭彎，或使列管與管板脫開，嚴(yán)重時(shí)甚至毀壞整個(gè)換熱器。

常壓塔再沸器A、B在開停過程中由于溫度升率、溫度降率超過規(guī)定，列管和管板受到較大的溫差應(yīng)力，使列管和管板相連接的焊縫或列管和管板脹接處發(fā)生損壞，導(dǎo)致列管與管板間發(fā)生泄漏。

(2) 沖刷侵蝕。

當(dāng)甲醇蒸汽的流動(dòng)速度較高且汽流中含有大的甲醇液滴時(shí)，列管外壁受汽液兩相流體沖刷后變薄，進(jìn)而發(fā)生穿孔或受液體壓力而破壞。

表1 常壓塔再沸器技術(shù)參數(shù)

當(dāng)換熱器的防沖板面積不夠大，或在正常運(yùn)行時(shí)破碎、脫落，失去防沖刷保護(hù)作用，列管受到甲醇蒸汽或甲醇液的直接沖擊，造成換熱器沖刷泄漏。

(3) 焊接不合格。

常壓塔再沸器A、B的管板材質(zhì)為20II，而列管材質(zhì)為S30408。2種牌號(hào)不同的鋼之間的焊接為異種鋼焊接，由于異種鋼的化學(xué)成分、金相組織不均勻，并且物理性能、力學(xué)性能等通常也有很大差異，因此可能會(huì)引起焊接缺陷，造成換熱器泄漏。

(4) 腐蝕。

由設(shè)備技術(shù)參數(shù)可知，常壓塔再沸器A、B管板材質(zhì)為20Ⅱ，當(dāng)工作介質(zhì)pH 小于9.5時(shí)，管板會(huì)被腐蝕；列管材質(zhì)為S30408，當(dāng)工作介質(zhì)中氯離子質(zhì)量濃度大于25 mg/L時(shí)，列管會(huì)被腐蝕。

(5) 材質(zhì)、工藝不良。

在常壓塔再沸器A、B遇到異常工況時(shí)，如果存在列管材質(zhì)不合格、管壁厚薄不均勻、列管有缺陷、脹口處過脹、列管外側(cè)有拉損傷痕等情況，均會(huì)導(dǎo)致列管大量損壞。

3 換熱器組成及檢修泄漏情況

列管式換熱器由列管、管板、折流板、筒體、封頭(管箱)、接管等組成。一種介質(zhì)由封頭的接管處進(jìn)入，在列管內(nèi)流動(dòng)，與筒體內(nèi)的介質(zhì)完成換熱后，從封頭另一端的接管口流出；另一種介質(zhì)由筒體的接管處進(jìn)入，與列管內(nèi)的介質(zhì)完成換熱后，從筒體上的另一根接管處流出。一般換熱器的2種介質(zhì)逆向流動(dòng)，以完成換熱。

針對(duì)該精醇裝置的運(yùn)行情況，2018年12月進(jìn)行計(jì)劃性檢修，拆開常壓塔再沸器上下封頭進(jìn)行以下檢查：

(1) 外觀檢查。上下管板與列管焊縫存在腐蝕問題(見圖1)；筒體接管處表面、筒體接管進(jìn)口處，以及擋板與列管間外觀均正常。

(2) 列管檢查。使用光照及管道檢查器對(duì)列管內(nèi)表面進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

(3) 壓力試驗(yàn)。升壓0.1 MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)列管與管板焊縫泄漏(見圖2)。

4 原因分析及處理措施

通過檢修發(fā)現(xiàn)，常壓塔再沸器A、B泄漏的原因?yàn)楹附淤|(zhì)量不合格。由于常壓塔再沸器A、B管板材質(zhì)為20II，即鐵素體；而列管材質(zhì)為S30408，即奧氏體類鋼。管板與列管的焊接實(shí)質(zhì)是異種金屬的焊接問題。異種金屬的焊接，是指2種或2種以上的不同金屬(化學(xué)成分、物理性能、金相組織、力學(xué)性能等不同)在一定工藝條件下進(jìn)行焊接加工的過程，其容易存在焊接材料不合格、未焊透(未熔合)、氣孔、夾渣、裂紋等問題[1]。

4.1 焊接材料不合格

焊接材料應(yīng)滿足NB/T 47018—2011 《承壓設(shè)備焊接材料訂貨技術(shù)條件》的規(guī)定，其中焊條的一般選用原則為：(1)考慮焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能；(2)考慮焊接構(gòu)件的工作條件和使用性能；(3)考慮焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力條件；(4)考慮施焊條件；(5)考慮生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。

常壓塔再沸器A、B管板與列管之間焊接采用的焊條牌號(hào)為A302，對(duì)其進(jìn)行外觀檢查，要求滿足以下條件：(1)焊芯應(yīng)無銹蝕痕跡；(2)藥皮涂敷均勻，無偏心、鼓包及機(jī)械損傷；(3)焊條從1 m高處自由落體至鋼板上時(shí)，藥皮無脫落、裂紋現(xiàn)象；(4)藥皮應(yīng)具有耐潮性，無論是吸潮后還是烘干后都不應(yīng)開裂或剝落[2]。

4.2 未焊透(未熔合)

常壓塔再沸器A、B管板與列管之間焊接接頭根部未熔合或未完全熔透，致使接頭坡口焊縫未熔合引起焊縫承載有效截面積減小，造成焊接應(yīng)力集中、焊縫強(qiáng)度不夠[3]。

產(chǎn)生未焊透(未熔合)的原因主要有：

(1) 未按規(guī)范要求焊接，如：施焊時(shí)電流過小或焊接電弧過長(zhǎng)；對(duì)接坡口角度過小或?qū)娱g隙過大。

(2) 焊接方法不當(dāng)，如：焊接時(shí)速度過快、焊條角度不當(dāng)、電弧被偏吹、焊條擺幅不當(dāng)?shù)取?/p>

(3) 焊條和焊道清理不干凈，留有雜物，坡口側(cè)壁有銹垢及污物，層間清渣不徹底影響熔合。

防止未焊透(未熔合)的措施有：

(1) 合理選擇焊接規(guī)范，選用成型坡口或凹槽按JB/T 4730.4—2005 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)(MT),要求無裂紋、分層、夾渣等缺陷。

(2) 選擇合適的焊接速度；適當(dāng)加大焊接電流，正確選擇焊接工藝參數(shù)，防止焊偏。

(3) 坡口清除干凈，并清理焊絲表面和焊層間的污物及熔渣，裝配間隙應(yīng)符合要求。

4.3 氣孔

焊接時(shí)焊縫熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能完全逸出，而殘留下來的氣泡形成氣孔。由于氣孔的存在，減少了焊縫的有效工作截面，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度明顯下降，同時(shí)破壞了焊縫的致密性，很容易造成泄漏。因此，在列管與管板間的焊接結(jié)構(gòu)中不允許氣孔存在[4]。

產(chǎn)生氣孔的原因主要有：

(1) 焊條未按規(guī)定溫度烘干，焊條藥皮變質(zhì)脫落、焊芯銹蝕等。

(2) 熔化金屬溫度降低時(shí)凝固太快。

(3) 焊接時(shí)電弧太長(zhǎng)或太短。

(4) 焊接材料不潔凈，焊條和工件表面的油污、銹、氧化物等未清除干凈。

防止氣孔的措施有：

(1) 不使用藥皮開裂、剝落、變質(zhì)及焊芯銹蝕的焊條，生銹的焊絲必須除銹后才能使用。所用焊接材料應(yīng)按規(guī)定溫度烘干，一般A302焊條烘干溫度為150 ℃，保溫時(shí)間為1.0 h，待用溫度為100 ℃。

(2) 按規(guī)范的焊接速度進(jìn)行施焊作業(yè)，焊接結(jié)束或焊接停頓時(shí)，焊接火焰應(yīng)緩慢停止，使熔池溫度慢慢降低、冷卻，便于氣體完全逸出，減少氣孔產(chǎn)生。

(3) 合理控制焊條和焊道的距離，弧長(zhǎng)L弧可按經(jīng)驗(yàn)公式確定，即L弧=0.5d～1.0d(d為焊條直徑)。

(4) 焊前應(yīng)將坡口兩側(cè)和焊絲表面的油、銹和水分等污物清除干凈。

(5) 應(yīng)妥善保管焊條，避免受潮；焊接時(shí)應(yīng)采取防塵、降潮措施，并將烘好的焊條放在保溫桶內(nèi)。

4.4 夾渣

焊接過程中藥皮等雜質(zhì)夾雜在熔池中，當(dāng)熔化金屬的凝固速度大于熔渣的流動(dòng)速度時(shí)，熔化金屬凝固時(shí),熔渣未能及時(shí)浮出熔池而形成在焊縫中。焊縫夾渣很大程度上降低焊接接頭的承載力。

發(fā)生夾渣的原因主要有：

(1) 焊件清理不干凈、多層多道焊層間藥皮清理不干凈、焊接過程中藥皮脫落在熔池中等。

(2) 電弧過長(zhǎng)、焊接角度不當(dāng)、焊層過厚、焊接線能量小、焊速快等，導(dǎo)致熔池中熔化的雜質(zhì)未浮出而熔池凝固。

(3) 焊接電流過小，速度過快，熔渣來不及浮起。

(4) 本體金屬和焊接材料化學(xué)成分不當(dāng)，含硫、磷較多等。

防止夾渣的措施有：

(1)焊件焊縫破口周圍10～15 mm表面范圍內(nèi)打磨清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。

(2) 多層、多道焊接時(shí)，層間藥皮、焊渣清理干凈。

(3) 焊條按照要求烘焙，不使用偏芯、受潮等不合格焊條。

(4) 盡量使用短弧焊接，選擇合適的焊接電流參數(shù)。

(5) 合理選擇焊接角度、焊接速度等，焊接速度合適，不能過快。

(6) 控制母材或者焊絲的化學(xué)成分，減少焊縫金屬中的氧、氮、磷、硫等含量。

4.5 裂紋

在焊接應(yīng)力及其他致脆因素的共同作用下,焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面后產(chǎn)生縫隙,即焊接裂紋。焊接裂紋不但降低焊縫接頭的承載力，還因裂紋的尖銳缺口引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，促使裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)品報(bào)廢，甚至引起事故。在焊接接頭中，焊接裂紋是一種不允許存在的缺陷。

產(chǎn)生裂紋的主要原因有：

(1) 熔化金屬冷卻太快。

(2) 擴(kuò)散氫的存在和濃集。

(3) 存在著較大的焊接拉伸應(yīng)力。

(4) 焊接順序不當(dāng)。

(5) 焊接材料化學(xué)成分不當(dāng)。

預(yù)防裂紋的措施有：

(1) 選擇合理的焊接規(guī)范和線能量，如焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后緩冷等，改善焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài)。

(2) 采用堿性焊條或焊劑，減少焊縫金屬中的擴(kuò)散氫含量。堿性焊條又稱低氫焊條，能降低焊縫金屬中的含氫量。

(3) 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝方面采取措施減小焊接拉應(yīng)力，防止層狀撕裂。

(4) 焊接時(shí)對(duì)稱施焊、沿同方向施焊。

(5) 控制母材及焊材有害元素、雜質(zhì)含量，特別應(yīng)是控制硫、磷等雜質(zhì)元素的含量和降低碳含量。

(6) 對(duì)焊縫進(jìn)行100%滲透檢測(cè)(PT),Ⅰ級(jí)合格。

5 結(jié)語

通過以上原因分析并采取措施，對(duì)常壓塔再沸器進(jìn)行修復(fù)，很好地解決了常壓塔再沸器列管泄漏的問題。再次運(yùn)行后，3 a多沒有再發(fā)生泄漏，從而確保了裝置的連續(xù)運(yùn)行，避免了不必要的停車，同時(shí)減少了物料泄漏，避免了環(huán)境污染。