煤氣化變換爐卸料口接管焊縫裂紋產(chǎn)生原因及治理措施

劉柱元(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

變換爐的工作原理：我公司的變換爐結(jié)構(gòu)為立式園筒型,其內(nèi)件采用的材料為0Cr18Ni10Ti，筒體直徑為φ3100mm，壁厚125mm，可以根據(jù)使用要求將其壁厚適當(dāng)增加，但是最多不能超過5mm。中心管內(nèi)徑為φ864mm，直段筒體高 10.165m。根據(jù)壓力容器相關(guān)的選材原則，設(shè)計確定使用 SA387 Gr.11 Cl.2加堆焊層0Cr18Ni10Ti，解決了變換爐工作過程中常見的防腐和高溫高壓問題。還有，進口管端處采用環(huán)板結(jié)構(gòu)的氣體分布裝置，該設(shè)備中所包含的類似的接管都應(yīng)用嵌入式整體補強結(jié)構(gòu)。

變換爐工作過程中產(chǎn)生的氣體組分為含有18.39%的CO原料粗煤氣，為了提高系統(tǒng)的中能量的利用效率，可以將氣體先預(yù)熱到265℃進入變換爐入口，然后在變換爐的分布器中進行重新分布，然后均勻流向鋪有催化劑的床層。此時，水蒸氣和混合氣體中的CO在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成H2和CO2，反應(yīng)后的變換氣含有3.38%CO，該氣體從變化爐中心氣體收集管進入，最終在變化爐的最底端的排出口排出，最終流向下游系統(tǒng)。

1 煤氣化工藝流程的變換爐設(shè)備的特點

此變換爐在設(shè)計過程中采用軸徑向內(nèi)件，能夠在很大程度上降低變換爐工作過程中催化劑的使用量。由于此次設(shè)計中變換爐的內(nèi)徑較小，所以在很大程度上降低了CO和水蒸氣在流經(jīng)床層時受到的阻力的大小，提高了水煤氣化學(xué)反應(yīng)的效率，實現(xiàn)了能源的節(jié)約。

2 卸料管口裂紋產(chǎn)生的原因

該變換爐從2010年5月份運行開始，我們生產(chǎn)中心嚴(yán)格按照變化爐的各種工藝指標(biāo)要求進行操作，同時嚴(yán)格遵照設(shè)備保養(yǎng)和維護的規(guī)定，按照一定時間對其進行檢查、檢驗、檢測等。在2012年和2011年我們對該設(shè)備分別進行了兩次大修，對該設(shè)備的內(nèi)襯和外筒均進行了細致的檢查，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備卸料管口沒有發(fā)生較大變化，沒有出現(xiàn)腐蝕變薄現(xiàn)象，運行指標(biāo)狀況良好。但是在2012年10月的現(xiàn)場巡檢人員巡檢時發(fā)現(xiàn)卸料管口處有白色粉末，然后再由生產(chǎn)中心現(xiàn)場專業(yè)設(shè)備檢查人員對其卸料口焊接位置處的白色的固體物質(zhì)收集確認(rèn)，并通過對該固體物質(zhì)的檢驗和分析，最終確定它是變換爐底部的氧化鋁球粉化后從變換爐內(nèi)部流出。基于上述結(jié)論，公司委派專業(yè)人員對變換爐設(shè)備進行更加細致的檢查，在變換爐卸料口根部位置處，發(fā)現(xiàn)原有焊接部位有一些裂紋，找到了泄露產(chǎn)生的位置，查出了出現(xiàn)白色粉末泄露的直接原因。但是該處產(chǎn)生裂紋的原因又是什么呢？

通過公司各部門人員的共同分析，產(chǎn)生裂紋的主要原因有設(shè)計、材質(zhì)、工藝和腐蝕等幾個方面的因素。由于變換爐卸料口處的管線長度較大，工作過程中液體在該處沒有流動現(xiàn)象，尤其是在我國北方地區(qū)，水煤氣在此處環(huán)境中容易產(chǎn)生冷凝，導(dǎo)致工藝氣中的硫化氫氣體在液態(tài)溶液中不斷的溶解然后形成飽和溶液。水煤氣中的H2S在液相飽和狀態(tài)下以及合適的溫度下(230～280℃之間)，對設(shè)備會產(chǎn)生很大的腐蝕作用。另外，煤質(zhì)中都含有大量的S和Cl元素，遇到水蒸氣后形成Cl-和S等物質(zhì)，對變換爐設(shè)備卸料管口處的堆焊層造成了一定程度的腐蝕，然后進一步實現(xiàn)對變換爐設(shè)備本體的腐蝕。加上變換爐焊接工藝的操作過程比較復(fù)雜，產(chǎn)生的震動量也是比較大的，所以使焊接部位產(chǎn)生貫穿性裂紋的機會大大增加。后來經(jīng)過設(shè)備的制造廠家技術(shù)人員及我公司相應(yīng)的技術(shù)人員對現(xiàn)場情況的勘測，露點腐蝕是卸料管口的焊縫上產(chǎn)生裂紋的另一個原因，雖然卸料口底部端蓋處的溫度低，水媒氣不會對設(shè)備本身產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，但是在該設(shè)備本體的卸料口管的焊縫處，溫度在260℃度左右，基本滿足形成露點腐蝕的環(huán)境，產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重。(露點腐蝕的原理：煤炭在和氧氣劇烈反應(yīng)過后，產(chǎn)生的氫(H2)和氧(O2)會反應(yīng)產(chǎn)成水蒸氣(H2O)，但是氣化爐大部分又采用水煤漿霧化和氧氣混合，這樣就造成產(chǎn)生的工藝氣中會帶出很多的水蒸氣。同時氣化爐煤漿中所含的硫(S)燃燒后會生成二氧化硫氣體(SO2)，工藝氣中的少量的SO2會進一步被氧化生成三氧化硫(SO3)。三氧化硫與工藝氣中的大量的水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)成硫酸溶液(H2SO4)。含有硫酸蒸汽的工藝氣露點會大大升高，當(dāng)遇到設(shè)備外殼溫度低于露點時，硫酸的蒸汽溶液就會在設(shè)備受熱面上凝結(jié)而成含有硫酸的溶液，對設(shè)備內(nèi)壁受熱面產(chǎn)生較重的腐蝕。因為這種腐蝕是在溫度較低的環(huán)境下產(chǎn)生形成的，所以被叫為低溫腐蝕。也是因為這種腐蝕是在設(shè)備內(nèi)壁受熱面上結(jié)露后才發(fā)生這種腐蝕，因而又被叫做露點腐蝕。露點溫度的高低的影響因素有：①燃料中的含硫量；②過剩空氣系數(shù)和三氧化硫的生成量等因素有關(guān)；③氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度越高過剩空氣越少，水煤漿反應(yīng)中硫生成的SO2被氧化成SO3的含量就越小，露點溫度機會越低。

3 預(yù)處理措施

經(jīng)過設(shè)備制造廠家的技術(shù)人員及我公司相關(guān)人員的共同努力，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并且研究清楚了變換爐設(shè)備本身的問題，并且深入分析了卸料管口產(chǎn)生裂紋的根本原因，但是由于當(dāng)時正處于設(shè)備運行生產(chǎn)期間，不可能將該設(shè)備停車檢修，在這種情況下也就不能夠?qū)ψ儞Q爐卸料管口缺陷部位的裂紋進行徹底改造處理，為了確保設(shè)備正常運行，我們只能先對其進行了預(yù)處理，最大限度的降低了設(shè)備的運行風(fēng)險，確保設(shè)備運行的安全，具體的預(yù)處理措施如下。

(1)因為變換爐卸料管口裂紋較多，裂紋深淺情況不明，隨時都有可能出現(xiàn)惡化，而造成不良后果，所以必須穩(wěn)定變換爐的所有的運行工藝指標(biāo)，避免出現(xiàn)指標(biāo)大的波動，確保平穩(wěn)操作，對變換爐設(shè)備運行的溫度、壓力、壓差和水汽比等指標(biāo)做了嚴(yán)格的要求，并要求每個運行班組認(rèn)真記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對運行狀況進行交接班，避免引發(fā)設(shè)備內(nèi)激烈的化學(xué)反應(yīng)，確保設(shè)備運行的平穩(wěn)性，從而降低設(shè)備運行的風(fēng)險。

(2)變換爐卸料管因為比較長，盲端為產(chǎn)生化學(xué)腐蝕創(chuàng)造條件，同時此處與形成露點腐蝕的條件也很接近，因此為了避免產(chǎn)生各類腐蝕現(xiàn)象，而增加產(chǎn)生因各種腐蝕形成裂紋的因素，在卸料口焊縫處增加了保溫和蒸汽伴熱裝置。

(3)因為變換爐卸料管口裂紋處泄漏的氣體為高溫、高壓、易燃、易爆的工藝氣體，時刻存在燃爆的風(fēng)險，為避免出現(xiàn)意外情況，為此由人孔處接膠皮管往裙座內(nèi)輸送一定量的惰性氣體氮氣，從兩方面保護現(xiàn)場的安全；對卸料管盲端起到了降低溫度的作用，大大減少了氣體在高溫下產(chǎn)生空間爆炸的可能性，另一方面降低了裙座空間氧氣的含量。為了做到萬無一失，另外設(shè)置相應(yīng)的警戒線對該設(shè)備一定的區(qū)域進行隔離操作，禁止無關(guān)操作的人員進到隔離區(qū)域，并且定期對裙座中可燃氣體的含量進行相關(guān)檢測。

(4)對當(dāng)時產(chǎn)生的已經(jīng)存在的裂紋進行臨時處理，經(jīng)過多次研究分析確定了處理措施為：對裂縫處進行適當(dāng)?shù)母哳l震蕩、碾壓處理，但是因為裙座內(nèi)部空間受限，根本無法順利對裂紋實施高頻振蕩、碾壓作業(yè)，后經(jīng)研究決定在裙座進行補強后再開孔，為高頻振蕩、碾壓設(shè)備可以順利作業(yè)提供合理的作業(yè)空間，從而完成對裙座內(nèi)部空間的碾壓處理，有效控制泄露現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(5)變化爐裙座開孔處補強板焊接。由于變換爐設(shè)備的重量和體積都很大，在裙座卸料管位置處增加開孔后(對裂縫處進行高頻震蕩、碾壓處理，因為裙座內(nèi)部空間受限)，會大大降低裙座的承載界面和承載面積，導(dǎo)致裙座局部應(yīng)力上升，從而會降低裙座開孔處的強度、鋼度和穩(wěn)定性，所以在變換爐設(shè)備裙座開孔的區(qū)域，先采用增加補焊補強板焊接措施進行補強，來保障裙座的承載能力不降低。

（6）變化爐卸料管處裙座局部開孔作業(yè)。經(jīng)過加工制作外協(xié)單位的工作，制作出了補強板，根據(jù)施工要求進行了補強作業(yè)，先將裙座的補強圈作業(yè)順利完成，然后對補強圈區(qū)域的合理部位進行了開孔作業(yè)。開孔大小及位置都在現(xiàn)場的補強圈上做了明確的標(biāo)記，根據(jù)現(xiàn)場制定的標(biāo)記，進行開孔作業(yè)，所開橢圓孔尺寸為：380×600，開完后，設(shè)備運行、振動等指標(biāo)穩(wěn)定，開孔取得了成功。具體的開孔施工過程如下。

封頭跟裙座開孔位置之間的間距較小，在裙座的封頭和開孔處之間安裝上了5mm厚的石棉板，同時在裙座內(nèi)補充部分氮氣，其作用是：防火、隔離的作用。隔離進行過程中采用3mm后的不銹鋼板代替石棉板，起到更好的保護作用。防火、隔離措施到位后，根據(jù)既定的方案采用碳弧氣刨對卸料管處的開孔部位進行割溝槽，當(dāng)裙座厚度剩余10mm左右時，根據(jù)檢查現(xiàn)場的溝槽情況，沿裙座補強板的內(nèi)緣進行切割操作，再采用空氣等離子切割機。在這幾個操作過程中，根據(jù)需要設(shè)置專門人員對半球型封頭的外形等各項指標(biāo)進行檢查和觀察，主要檢測其表面溫度的變化情況，只要發(fā)現(xiàn)其表面溫度出現(xiàn)不斷上升跡象要馬上停止作業(yè)。在整個切割過程中一定要確保半球型封頭表面各項指標(biāo)及參數(shù)的完整性。

4 最后維修整改措施

變換爐設(shè)備的卸料管口處的缺陷經(jīng)過上述幾項措施的預(yù)處理后，大大提高了其運行過程中的安全性，確保了其整體運行的穩(wěn)定性能。為等待大修的到來創(chuàng)造了很好的條件。終于等到變換爐停車，根據(jù)既定的方案進行相應(yīng)的處理，具體處理步驟如下。

（1）切除卸料口接管，將變換爐設(shè)備中原卸料口處中有焊縫位置進行切割處理，并且對切口進行打磨處理。(現(xiàn)代的卸裝催化劑都是從頂部人孔進行，卸催化劑采用真空抽引技術(shù)，從頂部抽出，完全可以圓滿完成催化劑卸料任務(wù)，底部的卸料管基本成了擺設(shè)，鑒于此種情況，做出如下方案。)卸料管短節(jié)切除后，我們可以清楚的看到卸料口接管處有多條穿透性的裂紋，這更加證明設(shè)備確實存在著很大的隱患，確實需要及時對其進行修復(fù)處理。

（2）對設(shè)備本體的卸料口加強管(以下均稱加強管)處進行處理。內(nèi)表面堆焊層100%PT檢測(符合JB/T 4730-2005 I級合格)。檢測后發(fā)現(xiàn)加強管內(nèi)表面的堆焊層有像蜘蛛網(wǎng)一樣布滿整個內(nèi)表面的裂紋,而且裂紋是穿透性的，已經(jīng)貫穿了整個焊縫。發(fā)現(xiàn)如此的裂紋后，然后利用在線微型車床將變換爐卸料管口中堆焊層中出現(xiàn)的裂紋進行逐步車削去除操作，找專業(yè)的維修單位及在線修口設(shè)備，最后再用磨光機對其基層表面進行打磨處理，直到所有表面裂紋被磨平。這時采用100%PT檢測(符合JB/T 4730-2005 I級合格)，如果檢測后仍然存在一定的裂紋現(xiàn)象，可以采用如下所示施工方案：

具體表面裂紋深度處理措施如下：

①對其表面進行100%PT檢測合格，并1.5～3mm 補焊后再打磨光滑。

②對其表面進行100%PT檢測合格，并≤1.5mm 打磨圓滑過渡。

③3～6mm 先預(yù)熱(≥150℃),然后焊過渡層，過渡層焊完后對其表面進行100%PT檢測合格，焊完過渡層再焊面層，面層焊完后并打磨光滑并對表面進行100%PT合格。

④對盲端進行焊接處理，將卸料管切除后，并且處理合格后，對此切口使用同樣材料的盲蓋進行封堵焊接，使用焊材為：跟盲板端蓋材料相同的焊絲對盲蓋和加強管連接處進行焊接處理，具體施工方案如下：

a.100%PT檢測合格，具體部位：加強管與盲蓋焊接坡口表面。

b.焊前預(yù)熱溫度≥150℃，采用電加熱板預(yù)熱，施焊層間溫度用烤槍零時加熱來保證，焊后立即進行局部消應(yīng)力熱處理(670℃±20℃×4h)(加固套和盲板蓋對焊時，必須要點焊牢，氬弧焊打底、手工焊填充焊縫，確保內(nèi)口平齊無錯口現(xiàn)象。)

c.對加固套與盲板蓋對接焊縫進行打磨，并圓滑過渡。

d.100%RT檢測(JB/T 4730-2005 Ⅱ級)合格：焊后24小時對焊縫進行，技術(shù)等級AB級；焊縫表面進行100%PT檢測合格。

e.加固套內(nèi)部防腐處理。改造措施完成后，為了做到萬無一失，以絕后患，對卸料口內(nèi)部用304L材質(zhì)的不銹鋼板襯到內(nèi)部，并且在襯的不銹鋼板本體上開孔，對不銹鋼襯與加固套之間進行注耐高溫密封膠，這樣處理，將工藝氣或冷凝液完全和盲堵的母材部分進行了隔離，最終起到固定、防腐以及緩沖的作用，確保此部位不再出現(xiàn)露點腐蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)語

最后卸料管切除后的改造效果有：第一，從設(shè)備角度上來看：該變換爐的催化劑每3～4年要進行一次更換，以前變換爐卸料作業(yè)需要持續(xù)進行作業(yè)，因為是在卸料管處進行，所以很容易污染現(xiàn)場環(huán)境，現(xiàn)場粉塵很多。設(shè)備改造之后，需要打開變換爐頂部半圓形封頭，利用先進的真空泵專業(yè)的卸催化劑設(shè)備進行完成催化劑的裝卸，現(xiàn)場不會造成任何污染，且裝填和卸催化劑的速度都很方便。現(xiàn)在將卸料管改成了盲堵，運行已經(jīng)一年多，改造很成功，截止發(fā)稿時，變換爐設(shè)備卸料口底部再也沒有出現(xiàn)白色固體樣物質(zhì)，說明泄露點已經(jīng)被完全修復(fù)，也說明施工質(zhì)量很好。同時改造后的變換爐接管處不存在盲區(qū)，生產(chǎn)過程中水煤氣不會再在此液化，就遠離了露點腐蝕的條件，因此也就從根本上杜絕了對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。

第二,從工藝角度上來看，變換爐設(shè)備改造完成后，因為消除了較大的缺陷，同時將卸料管切除對設(shè)備各項指標(biāo)沒有產(chǎn)生任何影響，所以系統(tǒng)運行參數(shù)不用做任何調(diào)整，其他任何方面沒有發(fā)生變化，同時對變換爐的操作安全性得到了較大的提高，利于其長期運行使用。

第三,從經(jīng)濟效益角度上來看，此次卸料口接管的裂紋一旦出現(xiàn)事故，設(shè)備以及配套設(shè)施帶來的直接損失會十分嚴(yán)重，卸料管一旦出現(xiàn)泄漏事故，會造成單系統(tǒng)停車，損失會很大，因為整個裝置的能力是180萬噸/年甲醇，每小時的損失都很大(120噸/小時)，此次正常檢修使用的時間為4天，所以經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。如果非正常停車，造成的停車時間會更長、處理難度會更大。所以，卸料口接管改造是很有必要的。