煤氣化變換爐卸料口接管焊縫裂紋產生原因及治理措施

劉柱元(神華包頭煤化工有限責任公司, 內蒙古 包頭 014010)

0 引言

變換爐的工作原理：我公司的變換爐結構為立式園筒型,其內件采用的材料為0Cr18Ni10Ti，筒體直徑為φ3100mm，壁厚125mm，可以根據使用要求將其壁厚適當增加，但是最多不能超過5mm。中心管內徑為φ864mm，直段筒體高 10.165m。根據壓力容器相關的選材原則，設計確定使用 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，進口管端處采用環板結構的氣體分布裝置，該設備中所包含的類似的接管都應用嵌入式整體補強結構。

變換爐工作過程中產生的氣體組分為含有18.39%的CO原料粗煤氣，為了提高系統的中能量的利用效率，可以將氣體先預熱到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生化學反應，生成H2和CO2，反應后的變換氣含有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。

1 煤氣化工藝流程的變換爐設備的特點

此變換爐在設計過程中采用軸徑向內件，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。由于此次設計中變換爐的內徑較小，所以在很大程度上降低了CO和水蒸氣在流經床層時受到的阻力的大小，提高了水煤氣化學反應的效率，實現了能源的節約。

2 卸料管口裂紋產生的原因

該變換爐從2010年5月份運行開始，我們生產中心嚴格按照變化爐的各種工藝指標要求進行操作，同時嚴格遵照設備保養和維護的規定，按照一定時間對其進行檢查、檢驗、檢測等。在2012年和2011年我們對該設備分別進行了兩次大修，對該設備的內襯和外筒均進行了細致的檢查，發現該設備卸料管口沒有發生較大變化，沒有出現腐蝕變薄現象，運行指標狀況良好。但是在2012年10月的現場巡檢人員巡檢時發現卸料管口處有白色粉末，然后再由生產中心現場專業設備檢查人員對其卸料口焊接位置處的白色的固體物質收集確認，并通過對該固體物質的檢驗和分析，最終確定它是變換爐底部的氧化鋁球粉化后從變換爐內部流出。基于上述結論，公司委派專業人員對變換爐設備進行更加細致的檢查，在變換爐卸料口根部位置處，發現原有焊接部位有一些裂紋，找到了泄露產生的位置，查出了出現白色粉末泄露的直接原因。但是該處產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，產生裂紋的主要原因有設計、材質、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象，尤其是在我國北方地區，水煤氣在此處環境中容易產生冷凝，導致工藝氣中的硫化氫氣體在液態溶液中不斷的溶解然后形成飽和溶液。水煤氣中的H2S在液相飽和狀態下以及合適的溫度下(230～280℃之間)，對設備會產生很大的腐蝕作用。另外，煤質中都含有大量的S和Cl元素，遇到水蒸氣后形成Cl-和S等物質，對變換爐設備卸料管口處的堆焊層造成了一定程度的腐蝕，然后進一步實現對變換爐設備本體的腐蝕。加上變換爐焊接工藝的操作過程比較復雜，產生的震動量也是比較大的，所以使焊接部位產生貫穿性裂紋的機會大大增加。后來經過設備的制造廠家技術人員及我公司相應的技術人員對現場情況的勘測，露點腐蝕是卸料管口的焊縫上產生裂紋的另一個原因，雖然卸料口底部端蓋處的溫度低，水媒氣不會對設備本身產生腐蝕現象，但是在該設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境，產生的腐蝕現象比較嚴重。(露點腐蝕的原理：煤炭在和氧氣劇烈反應過后，產生的氫(H2)和氧(O2)會反應產成水蒸氣(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產成硫酸溶液(H2SO4)。含有硫酸蒸汽的工藝氣露點會大大升高，當遇到設備外殼溫度低于露點時，硫酸的蒸汽溶液就會在設備受熱面上凝結而成含有硫酸的溶液，對設備內壁受熱面產生較重的腐蝕。因為這種腐蝕是在溫度較低的環境下產生形成的，所以被叫為低溫腐蝕。也是因為這種腐蝕是在設備內壁受熱面上結露后才發生這種腐蝕，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過剩空氣系數和三氧化硫的生成量等因素有關；③氣化爐內的反應溫度越高過剩空氣越少，水煤漿反應中硫生成的SO2被氧化成SO3的含量就越小，露點溫度機會越低。

3 預處理措施

經過設備制造廠家的技術人員及我公司相關人員的共同努力，已經發現并且研究清楚了變換爐設備本身的問題，并且深入分析了卸料管口產生裂紋的根本原因，但是由于當時正處于設備運行生產期間，不可能將該設備停車檢修，在這種情況下也就不能夠對變換爐卸料管口缺陷部位的裂紋進行徹底改造處理，為了確保設備正常運行，我們只能先對其進行了預處理，最大限度的降低了設備的運行風險，確保設備運行的安全，具體的預處理措施如下。

(1)因為變換爐卸料管口裂紋較多，裂紋深淺情況不明，隨時都有可能出現惡化，而造成不良后果，所以必須穩定變換爐的所有的運行工藝指標，避免出現指標大的波動，確保平穩操作，對變換爐設備運行的溫度、壓力、壓差和水汽比等指標做了嚴格的要求，并要求每個運行班組認真記錄相應的數據，并對運行狀況進行交接班，避免引發設備內激烈的化學反應，確保設備運行的平穩性，從而降低設備運行的風險。

(2)變換爐卸料管因為比較長，盲端為產生化學腐蝕創造條件，同時此處與形成露點腐蝕的條件也很接近，因此為了避免產生各類腐蝕現象，而增加產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，時刻存在燃爆的風險，為避免出現意外情況，為此由人孔處接膠皮管往裙座內輸送一定量的惰性氣體氮氣，從兩方面保護現場的安全；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，另外設置相應的警戒線對該設備一定的區域進行隔離操作，禁止無關操作的人員進到隔離區域，并且定期對裙座中可燃氣體的含量進行相關檢測。

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

(5)變化爐裙座開孔處補強板焊接。由于變換爐設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，因為裙座內部空間受限)，會大大降低裙座的承載界面和承載面積，導致裙座局部應力上升，從而會降低裙座開孔處的強度、鋼度和穩定性，所以在變換爐設備裙座開孔的區域，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。經過加工制作外協單位的工作，制作出了補強板，根據施工要求進行了補強作業，先將裙座的補強圈作業順利完成，然后對補強圈區域的合理部位進行了開孔作業。開孔大小及位置都在現場的補強圈上做了明確的標記，根據現場制定的標記，進行開孔作業，所開橢圓孔尺寸為：380×600，開完后，設備運行、振動等指標穩定，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，當裙座厚度剩余10mm左右時，根據檢查現場的溝槽情況，沿裙座補強板的內緣進行切割操作，再采用空氣等離子切割機。在這幾個操作過程中，根據需要設置專門人員對半球型封頭的外形等各項指標進行檢查和觀察，主要檢測其表面溫度的變化情況，只要發現其表面溫度出現不斷上升跡象要馬上停止作業。在整個切割過程中一定要確保半球型封頭表面各項指標及參數的完整性。

4 最后維修整改措施

變換爐設備的卸料管口處的缺陷經過上述幾項措施的預處理后，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定性能。為等待大修的到來創造了很好的條件。終于等到變換爐停車，根據既定的方案進行相應的處理，具體處理步驟如下。

（1）切除卸料口接管，將變換爐設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，從頂部抽出，完全可以圓滿完成催化劑卸料任務，底部的卸料管基本成了擺設，鑒于此種情況，做出如下方案。)卸料管短節切除后，我們可以清楚的看到卸料口接管處有多條穿透性的裂紋，這更加證明設備確實存在著很大的隱患，確實需要及時對其進行修復處理。

（2）對設備本體的卸料口加強管(以下均稱加強管)處進行處理。內表面堆焊層100%PT檢測(符合JB/T 4730-2005 I級合格)。檢測后發現加強管內表面的堆焊層有像蜘蛛網一樣布滿整個內表面的裂紋,而且裂紋是穿透性的，已經貫穿了整個焊縫。發現如此的裂紋后，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的裂紋進行逐步車削去除操作，找專業的維修單位及在線修口設備，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.焊前預熱溫度≥150℃，采用電加熱板預熱，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，確保內口平齊無錯口現象。)

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，技術等級AB級；焊縫表面進行100%PT檢測合格。

e.加固套內部防腐處理。改造措施完成后，為了做到萬無一失，以絕后患，對卸料口內部用304L材質的不銹鋼板襯到內部，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露點腐蝕現象。

5 結語

最后卸料管切除后的改造效果有：第一，從設備角度上來看：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需要持續進行作業，因為是在卸料管處進行，所以很容易污染現場環境，現場粉塵很多。設備改造之后，需要打開變換爐頂部半圓形封頭，利用先進的真空泵專業的卸催化劑設備進行完成催化劑的裝卸，現場不會造成任何污染，且裝填和卸催化劑的速度都很方便。現在將卸料管改成了盲堵，運行已經一年多，改造很成功，截止發稿時，變換爐設備卸料口底部再也沒有出現白色固體樣物質，說明泄露點已經被完全修復，也說明施工質量很好。同時改造后的變換爐接管處不存在盲區，生產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備產生腐蝕。

第二,從工藝角度上來看，變換爐設備改造完成后，因為消除了較大的缺陷，同時將卸料管切除對設備各項指標沒有產生任何影響，所以系統運行參數不用做任何調整，其他任何方面沒有發生變化，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,從經濟效益角度上來看，此次卸料口接管的裂紋一旦出現事故，設備以及配套設施帶來的直接損失會十分嚴重，卸料管一旦出現泄漏事故，會造成單系統停車，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，所以經濟效益相當可觀。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。