變換裝置設備檢驗檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題及探討

李涌泉 肖堯錢 孫愛鵬 康曉鵬 陳 昇

（1．中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2．國家市場監(jiān)管技術創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風險防控） 北京 100029）

變換裝置具有高溫高壓和臨氫運行的特點，介質(zhì)易燃易爆，一旦發(fā)生事故后果不堪設想。同時變換裝置損傷機理復雜且檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題非常多，國內(nèi)很多變換裝置都發(fā)現(xiàn)過影響裝置運行的設備損傷與失效情況，是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中最危險的生產(chǎn)裝置之一。比如中國石化某分公司的變換爐在檢驗中發(fā)現(xiàn)堆焊層表面存在大量裂紋，基材對接焊縫內(nèi)部也存在多處超標埋藏缺陷，變換系統(tǒng)不銹鋼壓力管道及容器曾多次發(fā)生腐蝕失效，對裝置長周期安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成重大威脅[1]。國家能源集團某公司變換裝置IP蒸汽廢鍋在換熱器拆檢時發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，管板滲透檢測時發(fā)現(xiàn)管板與管束連接角焊縫存在大量裂紋，殼程在進行液壓實驗時裂紋處發(fā)生泄漏，且每次停車檢修過程中都需對其管板裂紋進行修復，無法從根本上消除換熱器內(nèi)漏隱患[2]。中煤集團某公司變換裝置低溫冷凝液預熱器在使用4年后發(fā)現(xiàn)嚴重泄漏，其546根換熱管中有176 根進行了堵漏，嚴重影響換熱效率[3]。某廠變換爐進出口管道和水分離器出口管道（奧氏體不銹鋼）曾在8個月時間內(nèi)發(fā)生泄漏30余次，檢驗發(fā)現(xiàn)泄漏位置存在裂紋和沙眼[4]等。

本文將結(jié)合變換裝置工藝流程、運行特點及檢驗檢測結(jié)果對裝置潛在的損傷模式進行識別，同時通過對變換裝置檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行梳理與分析，總結(jié)出影響變換裝置長周期運行的因素并提出一些風險控制建議。

1 變換裝置簡介

變換裝置主要任務是將上游煤氣化裝置送來的粗煤氣中的一氧化碳通過與水蒸氣反應部分變換為氫氣，調(diào)整粗煤氣中氫氣和一氧化碳的比例，以滿足后續(xù)合成甲醇或氨的需要。同時變換反應屬于放熱反應，可回收變換過程中產(chǎn)生的熱能，用以副產(chǎn)不同壓力等級的蒸汽或預熱鍋爐給水、洗滌水和脫鹽水等。

變換裝置工藝系統(tǒng)一般由4個部分組成：粗煤氣處理系統(tǒng)、變換氣反應系統(tǒng)、變換氣冷卻系統(tǒng)和變換氣洗氨系統(tǒng)。

1）粗煤氣處理系統(tǒng)：來自煤氣化裝置的粗煤氣含有飽和水，夾帶有少量的煤塵粉和焦油，如進入后續(xù)反應系統(tǒng)，易造成設備的堵塞和腐蝕，影響裝置的長周期安全穩(wěn)定運行，因此粗煤氣處理系統(tǒng)進一步對粗煤氣進行水汽分離和雜質(zhì)過濾，此外本系統(tǒng)還通過粗煤氣預熱器調(diào)整粗煤氣的溫度，使其滿足后續(xù)變換氣反應系統(tǒng)的要求。

2）變換氣反應系統(tǒng)：經(jīng)處理后的粗煤氣進入第一變換爐進行變換反應，變換反應屬于放熱反應，第一變換爐出口溫度約為460 ℃。第一變換爐出口的變換氣經(jīng)反應后已經(jīng)消耗了大部分水蒸氣，工藝氣中水蒸氣含量已經(jīng)不足，因此變換氣經(jīng)補充中壓過熱蒸汽后送入淬冷增濕器。淬冷增濕器利用變換氣的熱量汽化鍋爐給水，補充變換氣的水蒸氣含量，同時可降低變換氣的溫度，淬冷增濕器出口溫度為230 ℃。經(jīng)降溫增濕后的變換氣進入第二變換爐，繼續(xù)變換反應，出口溫度約為 350 ℃。

3）變換氣冷卻系統(tǒng)：來自變換氣反應系統(tǒng)的變換氣溫度高達350 ℃，該部分熱量可充分回收利用，提高整個裝置的能量利用率。變換氣反應系統(tǒng)的高溫變換氣一般分為兩股：一股返回粗煤氣處理系統(tǒng)的粗煤氣預熱器預熱第一變換爐入口粗煤氣；另一股陸續(xù)進入不同溫度回收的廢熱回收換熱器和水汽分離器回收熱量，最后冷卻至40 ℃送入變換氣洗氨系統(tǒng)。變換氣中含有大量水蒸氣，冷凝出來的冷凝水經(jīng)收集后統(tǒng)一送下游裝置。

4）變換氣洗氨系統(tǒng)：經(jīng)變換氣冷卻系統(tǒng)冷卻后的變換氣溫度約為40 ℃，其中還含有少量的NH3，如不除去易堵塞后續(xù)的設備管道等設施。來自變換氣冷卻系統(tǒng)變換氣進入洗氨分離塔的下部與來自塔頂部的脫鹽水逆流接觸，吸收去除變換氣中的氨。洗氨塔底部的洗氨水同變換氣冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝液一同送入下游裝置。

2 損傷模式識別

本次分析的變換裝置中最高工作壓力為6.27 MPa，最高工作溫度為460 ℃，主要工藝介質(zhì)有粗煤氣、變換氣和變換冷凝液等，其含有的主要有害雜質(zhì)有二氧化碳、氨、硫化物、氯離子等，大部分設備均采用基材加不銹鋼襯里的復合板材料。通過對變換裝置工藝流程及運行特點分析識別出裝置存在腐蝕減薄、環(huán)境開裂和材質(zhì)劣化等損傷類別，潛在的損傷模式有13種[5-12]，見表1。

表1 變換裝置潛在的損傷模式

3 檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題

3.1 粗煤氣處理系統(tǒng)

粗煤氣處理系統(tǒng)主要設備有粗煤氣分離器、粗煤氣過濾器和粗煤氣預熱器等。粗煤氣分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)人孔角焊縫上存在裂紋（見圖1），裂紋經(jīng)打磨并消除；粗煤氣過濾器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)多個接管角焊縫存在裂紋（見圖2），裂紋經(jīng)打磨并消除。煤氣預熱器接管角焊縫為異種鋼焊接，表面磁粉檢測發(fā)現(xiàn)磁痕顯示，但滲透檢測卻未見異常，對表面進行打磨后滲透檢測也發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷（見圖3）。另一煤氣預熱器在接管角焊縫外表面磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)多處裂紋（見圖4），經(jīng)打磨發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在夾渣等埋藏缺陷。

圖1 粗煤氣分離器內(nèi)部人孔角焊縫裂紋

圖2 粗煤氣過濾器內(nèi)部接管角焊縫裂紋

圖3 煤氣預熱器外部接管角焊縫穿透裂紋

圖4 煤氣預熱器外部接管角焊縫裂紋

3.2 變換氣反應系統(tǒng)

變換氣反應系統(tǒng)的主要設備有變換爐。見圖5，變換爐內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)不銹鋼襯里（材質(zhì)為347H）對接焊縫和接管角焊縫上均存在裂紋，見圖5（a）；外表面基材（材質(zhì)為SA387Gr11.CL2，厚度為148 mm）對接焊縫熱影響區(qū)存在裂紋，尤其是封頭與筒體連接的環(huán)焊縫，見圖5（b）；同時金相檢測過程中還發(fā)現(xiàn)變換爐的基材存在球化現(xiàn)象，見圖5（c）。

圖5 變換爐內(nèi)外表面檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題

3.3 變換氣冷卻系統(tǒng)

變換氣冷卻系統(tǒng)主要設備有水汽分離器和廢熱回收換熱器。2#水汽分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)對接焊縫和接管角焊縫存在裂紋，裂紋經(jīng)打磨后消除并進行了補焊修理，見圖6。3#水汽分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)人孔通道上存在大量裂紋，最后對人孔通道全部進行重新堆焊處理，見圖7。中壓廢熱回收換熱器管程（介質(zhì)為變換氣）內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)對接焊縫補焊位置再次發(fā)現(xiàn)多處裂紋，見圖8。除鹽水預熱器管程（介質(zhì)為變換氣）人孔蓋板（不銹鋼復合板）內(nèi)側(cè)存在2處點蝕深孔，打磨后發(fā)現(xiàn)蓋板內(nèi)部基材已發(fā)生腐蝕并形成深坑，見圖9。

圖6 2#水汽分離器內(nèi)部對接焊縫裂紋

圖7 3#水汽分離器人孔通道內(nèi)側(cè)堆焊層修理情況

圖8 中壓廢熱回收換熱器管程內(nèi)部對接焊縫裂紋

圖9 除鹽水預熱器管程人孔蓋板內(nèi)側(cè)點蝕深孔

3.4 變換氣洗氨系統(tǒng)

變換氣洗氨系統(tǒng)主要設備有洗氨塔、洗氨塔冷凝器和冷凝液閃蒸槽等。洗氨塔內(nèi)部宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)不僅塔盤等內(nèi)構件腐蝕嚴重，而且洗氨塔內(nèi)部不銹鋼襯里（材質(zhì)為S32168）也發(fā)現(xiàn)存在嚴重腐蝕，且在塔盤液相浸泡位置的襯里已經(jīng)完全被腐蝕掉，而氣相空間的襯里腐蝕情況略好，見圖10和圖11。洗氨塔內(nèi)部滲透檢測還發(fā)現(xiàn)對接焊縫和接管角焊縫存在裂紋，見圖12。冷凝液閃蒸槽內(nèi)部滲透檢測也發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖13。此外，洗氨塔冷凝器也是經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏的設備，某公司5年內(nèi)更換了3臺洗氨塔冷凝器，直至最后一次更換成石墨換熱器才解決了腐蝕泄漏問題。

圖10 洗氨塔內(nèi)部塔盤腐蝕情況

圖11 洗氨塔內(nèi)部襯里腐蝕情況

圖12 洗氨塔內(nèi)部接管角焊縫裂紋

圖13 冷凝液閃蒸槽內(nèi)部接管焊縫裂紋

4 原因分析及建議

通過對多套變換裝置進行檢驗檢測發(fā)現(xiàn)，裝置存在腐蝕減薄、環(huán)境開裂和材質(zhì)劣化等共性問題，嚴重影響變換裝置運行，在此對存在的問題進行分析并提出一些風險控制建議以降低裝置運行風險，促進變換裝置長周期安全穩(wěn)定運行。

1）變換裝置中腐蝕減薄主要發(fā)生在變換氣洗氨系統(tǒng)，在國內(nèi)很多同類裝置都發(fā)現(xiàn)這個共性問題。造成洗氨系統(tǒng)發(fā)生腐蝕減薄的主要原因是洗氨塔塔盤液相中溶解了二氧化碳、硫化氫和氨等腐蝕性介質(zhì)，液相介質(zhì)呈酸性，導致設備發(fā)生酸性水腐蝕?？梢酝ㄟ^適當調(diào)節(jié)洗氨塔鍋爐給水量或者改進塔盤結(jié)構和材質(zhì)升級等措施來避免腐蝕減薄問題。此外，變換裝置中廢熱回收換熱器等換熱設備普遍采用奧氏體不銹鋼管束，在運行過程中應嚴格控制工藝指標，尤其是氯離子質(zhì)量分數(shù)應不超過30 mg／L，以防止管束發(fā)生腐蝕或開裂而泄漏。

2）變換裝置中環(huán)境開裂主要發(fā)生在不銹鋼設備或含不銹鋼襯里的設備，裂紋基本都分布在對接焊縫或角焊縫的焊縫和熱影響區(qū)上，具有典型的連多硫酸應力腐蝕開裂特征?？梢圆扇∫韵麓胧﹣肀苊膺B多硫酸應力腐蝕開裂，如選用不易敏化的材質(zhì)，如超低碳奧氏體不銹鋼、穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鎳基合金等；或在停工期間用干燥的氮氣進行保護，以防止接觸空氣；在停車過程中或停工后應立即用蘇打粉溶液沖洗設備以中和連多硫酸等。同時，制造時需進行焊后熱處理的設備應采取合理的冷卻方式避免奧氏體不銹鋼襯里或堆焊層發(fā)生敏化。

3）變換裝置中材質(zhì)劣化主要發(fā)生在變換氣反應系統(tǒng)，尤其是變換爐和粗煤氣預熱器等操作溫度高于440 ℃的設備，常見損傷模式有再熱裂紋、回火脆化和球化等。材質(zhì)劣化主要由高溫服役環(huán)境導致材料微觀組織、力學性能和耐腐蝕性能發(fā)生退化，因此在設備使用過程中應嚴格按操作規(guī)程進行作業(yè)，嚴禁超溫超壓運行。同時針對回火脆化傾向，在設備使用過程中必須嚴格執(zhí)行合理的開停車工藝，防止設備因回火脆化而發(fā)生事故。

5 結(jié)束語

變換裝置是煤化工產(chǎn)業(yè)關鍵生產(chǎn)裝置之一，是我國實現(xiàn)煤炭高效清潔利用的核心裝置，它的安全、穩(wěn)定、長周期運行，事關國家能源安全及公共安全。

變換裝置具有高溫高壓、介質(zhì)成分復雜且易燃易爆的工藝特點，裝置潛在的損傷模式有二氧化碳腐蝕、高溫硫化物腐蝕（氫氣環(huán)境）、氯化銨腐蝕、酸性水腐蝕（堿式酸性水）、鍋爐冷凝水腐蝕、濕硫化氫破壞、氯化物應力腐蝕開裂、連多硫酸應力腐蝕開裂、碳酸鹽應力腐蝕開裂、球化、回火脆化、再熱裂紋和敏化-晶間腐蝕13種。

在多套變換裝置檢驗檢測過程中發(fā)現(xiàn)存在洗氨塔內(nèi)構件及不銹鋼襯里嚴重腐蝕，變換爐、廢熱回收換熱器和水汽分離器等設備襯里對接焊縫和角焊縫存在裂紋，以及變換爐等高溫設備基材發(fā)生再熱裂紋和球化等嚴重的共性問題。

針對已發(fā)現(xiàn)的共性問題仍有很多損傷或失效原因需要進一步分析，以便從根本上消除變換裝置安全隱患，因此需要國內(nèi)外科研院所及使用單位等共同合作，一起研究并解決變換裝置運行過程中存在的問題，為變換裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行做出貢獻。