基于大型化工設(shè)備的核心裝置缺陷技術(shù)改造與工藝優(yōu)化

摘 要：3052大型化工裝置中的鍋爐給水預(yù)熱器是一臺(tái)比較關(guān)鍵的換熱器，但由于設(shè)備存在的制造缺陷和設(shè)計(jì)缺陷，致使換熱面積的不足，導(dǎo)致蒸汽產(chǎn)量不夠，裝置無(wú)法滿負(fù)荷生產(chǎn)。通過(guò)采用超長(zhǎng)單根換熱管，中間無(wú)焊縫技術(shù)，減少中心拆流板距離，增加折流擋板的重疊面積，在旁路擋板的邊緣之間增加密封條等技術(shù)，對(duì)預(yù)熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，達(dá)到增加換熱面積的目的，在新設(shè)備制造中，采取了對(duì)管板堆焊層進(jìn)行改進(jìn)等有效的制造工藝，避免了埋藏缺陷的出現(xiàn)，達(dá)到了優(yōu)化和改進(jìn)的目的，新設(shè)備投入運(yùn)行后，一直運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

關(guān)鍵詞：化工裝置；鍋爐給水預(yù)熱器；換熱管；折流擋板；密封條

中圖分類號(hào)：TQ050

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0130-03

Technology transformation and process optimization of core devicedefectsbased on large chemical equipment

MENG Fuxiang

（CNOOCFudao Co.，Ltd.，Dongfang 572600，Hainan China

）

Abstract：The boiler feed water preheater in the 3025 large chemical plant is a relatively critical heat exchanger.However，due to the manufacturing and design defects of the equipment，the heat exchange area is insufficient，resulting in insufficient steam output，and the device cannot produce at full capacity.The structure of the preheater is improved and optimized by using the technologies including ultra-long single heat exchange tube without weld in the middle，reducing the distance of the center disconnecting plate，increasing the overlapping area of the baffle plate，adding sealing strips between the edges of the bypass baffle plate，and so on，to increase the heat exchange area.In the manufacture of new equipment，the effective manufacturing process such as improving the surfacing layer of tube plate was adopted to avoid the appearance of buried defects and achieve the purpose of optimization and improvement.After the new equipment was put into operation，it had been running stably and the effect was good.

Key words：chemical device;boiler feedwater preheater;heat exchange tube;baffles;sealing strip

大型化工裝置中的鍋爐給水預(yù)熱器（08-E002）是合成回路的核心設(shè)備，為雙程（管程/殼程）高壓的大型換熱器，具有高溫、高壓、高氫腐蝕的特點(diǎn)。采用U管換熱器，水平布置，在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)換熱能力不足，并且存在內(nèi)漏和埋藏缺陷，嚴(yán)重影響了裝置的蒸汽產(chǎn)量，導(dǎo)致蒸汽用戶用汽緊張。

隨著國(guó)際能源價(jià)格大幅升高，國(guó)內(nèi)氮肥價(jià)格的低迷，環(huán)保要求越來(lái)越高，公司迫切希望提高產(chǎn)能，降低裝置能耗，以此來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格，但限于鍋爐給水預(yù)熱器換熱能力的不足以及存在制造缺陷，無(wú)法提高產(chǎn)能，鍋爐給水預(yù)熱器換熱已成為制約裝置提高產(chǎn)能的技術(shù)瓶頸。

為了徹底解決這個(gè)技術(shù)瓶頸，決定對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，公司決定在2018年成立鍋爐給水預(yù)熱器改造項(xiàng)目組，組建了項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)，并撥出了專門的預(yù)算，經(jīng)過(guò)廣泛地技術(shù)交流，決定采用增加折流擋板的重疊面積，在旁路擋板的邊緣之間增加密封條等技術(shù)，對(duì)預(yù)熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，達(dá)到增加換熱面積的目的，在新設(shè)備制造中，采取了對(duì)管板堆焊層進(jìn)行改進(jìn)等有效的制造工藝，避免了埋藏缺陷的出現(xiàn)，達(dá)到了優(yōu)化和改進(jìn)和 增加換熱面積的目的。新設(shè)備投運(yùn)后，一直運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。與制造廠一起，開(kāi)展了卓有成效的技術(shù)攻關(guān)工作，2019年，改進(jìn)與優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新設(shè)備制造完畢，2020年新設(shè)備安裝完畢，投入運(yùn)行。

1 設(shè)備和工藝狀況

1.1 鍋爐給水預(yù)熱器換熱能力不足

由于鍋爐給水預(yù)熱器換熱能力不足，裝置只能以80%的負(fù)荷運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)揮出裝置的最大產(chǎn)能。

1.2 鍋爐給水預(yù)熱器換存在制造缺陷

（1）換熱管及管板在2018年大修中空氣試漏，檢查發(fā)現(xiàn)5處漏點(diǎn)（2根管子內(nèi)漏，3處管板與管子角焊縫砂眼），打磨確認(rèn)是穿透裂紋，但是焊接修復(fù)中發(fā)現(xiàn)焊后的熱影響區(qū)反復(fù)多次出現(xiàn)淺表裂紋，并且焊接時(shí)有藍(lán)色火焰出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)同類設(shè)備歷史經(jīng)驗(yàn)分析，產(chǎn)生重復(fù)裂紋的原因是由于08E002介質(zhì)氫含量較高，材質(zhì)為13CrMo4-5的管板已經(jīng)被氫腐蝕，材質(zhì)出現(xiàn)嚴(yán)重裂化的情況，焊接性能變差，修復(fù)難度很大，此次檢修經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)修改焊接工藝，最終勉強(qiáng)完成堵漏任務(wù)［1-5］;

（2） 封頭與筒體聯(lián)接內(nèi)側(cè)焊縫，在2018年大修中PT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)整圈都是裂紋，經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生裂紋的原因同樣是氫腐蝕造成。檢修中打磨確認(rèn)為非穿透裂紋，但是打磨的裂紋最深處為7 mm，打磨后實(shí)測(cè)焊縫最小厚度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的最小安全厚度52 mm，鑒于以上管板在補(bǔ)焊中反復(fù)出現(xiàn)裂紋的情況，該焊縫打磨確認(rèn)裂紋消除后未進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)，目前監(jiān)控運(yùn)行;

（3）大修中射線探傷顯示封頭與筒體聯(lián)接焊縫存在3條長(zhǎng)度分別為25、6、10 mm的埋藏裂紋缺陷，這3處裂紋評(píng)級(jí)為Ⅳ級(jí)，為不合格。為進(jìn)一步證實(shí)缺陷的情況，該焊縫再次進(jìn)行了超聲探傷。經(jīng)過(guò)2次探傷結(jié)果分析，確認(rèn)該焊縫存在埋藏性缺陷，最嚴(yán)重的缺陷長(zhǎng)22 mm，埋藏深度為28～32 mm；其余部位缺陷長(zhǎng)度為5～15 mm不等，缺陷埋藏深度為28～32 mm，缺陷自身高為1～2mm。這條焊縫整體評(píng)級(jí)為Ⅱ級(jí)，為不合格。經(jīng)過(guò)具有長(zhǎng)期修復(fù)壓力容器經(jīng)驗(yàn)的協(xié)作單位建議，該焊縫同樣存在嚴(yán)重氫腐蝕，埋藏缺陷無(wú)法進(jìn)行挖補(bǔ)、修復(fù)，只能監(jiān)控運(yùn)行;

（4）經(jīng)過(guò)以上的檢修過(guò)程，結(jié)合設(shè)備壽命情況綜合分析，3052大型化工裝置的鍋爐給水預(yù)熱器運(yùn)行22年，因?yàn)槭艿綒涓g，內(nèi)部材質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，換熱管、管板、筒體等部位長(zhǎng)期在高溫（溫度320 ℃）及交變應(yīng)力的工作環(huán)境下，焊縫容易出現(xiàn)裂紋，并會(huì)有擴(kuò)大化的趨勢(shì)，此次檢修雖然針對(duì)性采取了修復(fù)措施，但是設(shè)備老化的現(xiàn)狀也只能監(jiān)控運(yùn)行;

（5）預(yù)熱器是3052大型化工裝置合成回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，介質(zhì)為合成氣，具有高溫、高壓、易燃、易爆的高危特性，經(jīng)過(guò)2018年的檢測(cè)的評(píng)估，設(shè)備已經(jīng)接近使用壽命周期，如果材質(zhì)進(jìn)一步劣化產(chǎn)生較大的穿透性裂紋，大量的高壓可燃?xì)馔庑?，?huì)造成區(qū)域性爆炸的惡性事故，就目前材質(zhì)缺陷不具備再修復(fù)能力，新設(shè)備15個(gè)月制造周期，會(huì)導(dǎo)致3052大型化工裝置停產(chǎn)近20個(gè)月的困境，因此，及時(shí)啟動(dòng)更新改造計(jì)劃，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行整體更新是很有必要的;

（6）停車時(shí)換熱管大量泄漏會(huì)導(dǎo)致后系統(tǒng)壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)水及合成塔觸媒進(jìn)水，造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。

1.3 工藝技術(shù)參數(shù)

鍋爐給水預(yù)熱器（08-E002） 進(jìn)口設(shè)備，是專門為3052大型化工裝置廢熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一臺(tái)廢熱回收設(shè)備，來(lái)自氨合成塔（08-R001）出口的合成氣（400 ℃，10.3 MPa ），以一定的速度依次通過(guò)合成廢鍋爐（08-E001），冷卻后進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器（08-E002）， 將來(lái)自汽包223 ℃鍋爐給水，加熱到 314 ℃，而合成氣自身溫度由336 ℃降到231 ℃，再進(jìn)入到下一道工序，鍋爐給水預(yù)熱器工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

2 改造方案設(shè)計(jì)和改造工藝

2.1 根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

有2種方案可供選擇，經(jīng)過(guò)綜合分析，由于3052大型化工裝置設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝空間限制，只能利用原設(shè)備地基基礎(chǔ)，無(wú)法通過(guò)增加換熱管數(shù)量，加大設(shè)備外形尺寸的方法來(lái)增加換熱面積，只能對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，來(lái)達(dá)到增加換熱面積的目的，最終選擇了方案2作為本次鍋爐給水預(yù)熱器的方案，見(jiàn)表2。

2.2 部件改造優(yōu)化

2.1.1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該設(shè)備為大型雙程高壓的U形管換熱器，換熱面積2 838.3 m2，換熱管束1 760根U管。單根管超長(zhǎng)近28 m，中間有管束對(duì)接焊接。管子很細(xì)，小口徑，對(duì)接焊，換熱管共1 760根，也就是存在3 520個(gè)管子與管板焊接的接口，很難保證焊接后其內(nèi)表面的平滑滿足要求。管板小管深孔鉆，鉆頭易斷，深孔易偏心，制造難度非常大，厚管板（厚度445 mm）設(shè)計(jì)。

2.1.2 技術(shù)改造的工藝優(yōu)化

（1）采用超長(zhǎng)單根換熱管技術(shù)，中間無(wú)焊縫，長(zhǎng)度達(dá)25 m。U形換熱管原設(shè)計(jì)2根換熱管對(duì)接焊組對(duì)成的，材質(zhì)為13CrMo4-5，改造后，U形管是無(wú)對(duì)接焊縫，減少了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。U形換熱管直段長(zhǎng)度由12.5 m縮短到11.095 m.設(shè)備長(zhǎng)度由16.5 m縮短為15.3 m，設(shè)備質(zhì)量由104.9 t減小到100 t［6-9］;

（2）通過(guò)采用減少中心拆流板距離，增加折流板的重疊面積的方法 。將拆流板的間距由850 mm減小到380 mm，折流板的數(shù)量由13塊增加到26塊［10-11］;

（3）通過(guò)增加折流擋板的重疊面積，來(lái)增加換熱面積。優(yōu)化前，邊緣折流板與中心折流板的接合面是平齊的；優(yōu)化后，邊緣折流板與中心折流板的接合面是重疊的［12-14］;

（4）采用在旁路擋板的邊緣之間增加密封條技術(shù)。優(yōu)化前，殼體分程隔板沒(méi)有密封條，工藝氣容易走旁路，熱效率低；優(yōu)化后，殼體分程隔板增加密封條，減少了工藝氣容易走旁路，大大增加了換熱熱效率［15-17］;

（5）對(duì)管板進(jìn)行堆焊層英科鎳合金層對(duì)管板進(jìn)行堆焊層英科鎳合金層。原設(shè)計(jì)管板外側(cè)無(wú)堆焊層，換熱管與管板采用角焊縫聯(lián)接，由于管板材質(zhì)是13CrMo4-5，是低合金鋼，抗氫腐蝕能力較差，因此，出現(xiàn)角焊縫砂眼，漏工藝氣現(xiàn)象。改造中，對(duì)管板外側(cè)增加了厚為8 mm耐腐蝕堆焊層，材質(zhì)為INCOLOY600，是英科鎳基合金，抗高溫氫腐蝕能力較強(qiáng)，換熱管與管板采用沉孔角焊縫聯(lián)接，有效地避免了工藝氣對(duì)管板的腐蝕［18-20］。

3 結(jié)語(yǔ)

在新的鍋爐給水預(yù)熱器的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，運(yùn)用超長(zhǎng)單根換熱管技術(shù)，中間無(wú)焊縫，長(zhǎng)度達(dá)25米，有效的減少了焊縫泄漏;采用減少中心拆流板距離，增加折流板的重疊面積的方法，來(lái)增加工藝介質(zhì)的熱交換效率;通過(guò)增加折流擋板的重疊面積，來(lái)增加換熱面積;采用在旁路擋板的邊緣之間增加密封條技術(shù)，減少工藝介質(zhì)走旁路等措施，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)換熱管束及相關(guān)折流板進(jìn)行大幅優(yōu)化布置，對(duì)管板進(jìn)行堆焊層英科鎳合金層，減少工藝介質(zhì)對(duì)管板的腐蝕，成功地解決了鍋爐給水預(yù)熱器08E002存在的換熱能力不足、存在埋藏缺陷等問(wèn)題，使得設(shè)備性能明顯提升，達(dá)到了優(yōu)化和改進(jìn)的目的。解決了制約生產(chǎn)裝置的瓶頸，為產(chǎn)能提升創(chuàng)造了有利的條件，降低了裝置能耗，提高了產(chǎn)品的竟?fàn)幜Α?/p>

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收稿日期：2023-06-15；修回日期：2023-09-20

作者簡(jiǎn)介：蒙福祥（1967-），男，高級(jí)工程師，主要從事合成氨裝置設(shè)備管理與維護(hù)；E-mail：mengfx9159@163.com。

引文格式：蒙福祥.基于大型化工設(shè)備的核心裝置缺陷技術(shù)改造與工藝優(yōu)化［J］.粘接，2023，50（11）：130-132.