DN4600等溫變換爐的內漏及檢漏檢修

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(1.陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030000；2.航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050)

在合成氨系統中，CO變換反應是強放熱反應，是一個熱力學控制的過程，因此，傳統的絕熱變換技術采用多段反應、多段換熱的方式，這樣的絕熱變換工藝流程較復雜、熱損失大、蒸汽消耗高、設備投資大。大型合成氨系統造氣多采用粉煤氣化、水煤漿氣化等技術，氣化粗煤氣中CO含量在50%～76%，高濃度CO使傳統變換技術已不能適應大型合成氨系統的工藝要求。為了優化變換流程及換熱方式，國內提出了等溫變換的理念，保持催化劑床層低溫、恒溫反應，省去多臺變換爐和換熱設備，大大縮短了流程。

等溫變換工藝中的等溫變換爐結構復雜，是變換系統中最關鍵的設備。湖南安淳高新技術有限公司(以下簡稱“湖南安淳”)自主研發的等溫變換工藝，將換熱器置于反應器催化劑床層，通過副產蒸汽的方式移去反應熱，使工藝氣保持在低溫、恒溫的狀態下進行反應，但單臺設備大、結構復雜，尤其是內件換熱管較多，操作不當容易損壞內件，造成漏水事故，對催化劑造成不利影響，影響系統穩定運行，其結構的復雜也使內件的檢漏、檢修工作異常困難。

1 等溫變換爐

陽煤集團太原化工新材料有限公司合成氨裝置配套的煤氣變換工藝，采用湖南安淳的高CO等溫低溫變換專利技術及等溫變換反應器專利設備。該項目的實施首開等溫變換技術應用大型化的先河，主要特點體現在“一大四高”：大型化——單系統等溫變換裝置干基氣量約18萬Nm3/h，相當于50萬t/a合成氨需要變換的氣量，等溫變換爐直徑達DN4 600，是目前最大的等溫變換爐；四高——高CO、高水氣比、高變換率、高熱回收率。氣化采用航天爐氣化技術，CO含量高達67%；水氣比為1.3；出口變換氣中CO要求≤0.4%，等溫變換爐中變換率達到97%以上，系統總變換率在99%以上；全部反應熱產生4.3MPa蒸汽。

等溫變換爐具有以下優勢：①利用相變移走變換反應熱，真正實現等溫反應，平面溫差小(<3℃)，床層溫差小(<10℃)；②實現深度變換，CO轉化率97%以上(CO進口體積分數60%，出口體積分數1.4%)；③等溫變換爐內換熱管為懸掛式雙套水管，不受殼體限制，可自由伸縮，結構安全可靠，而且等溫變換爐高徑比大，容易實現大型化；④采用全徑向反應，阻力小，實測等溫變換爐阻力<20kPa，系統阻力小，大大降低運行成本；⑤反應溫度低且恒定，使催化劑使用壽命大大延長；⑥變換反應熱幾乎全部回收利用，副產蒸汽品位高、產量大(4.3MPa，70t/h)，反應器水汽系統自然循環，無需動力；⑦等溫變換爐操作簡單，只需控制汽包蒸汽壓力，即可輕松調節床層溫度，易于控制。等溫變換爐工藝流程示意見圖1。

圖1 等溫變換爐工藝流程示意

2 等溫變換爐內漏情況

變換第一次停車后，等溫變換爐汽包液位在20h內從29%降到24%，剛開始分析是汽包的定排管道和連排管道閥門未關嚴。處理閥門后，汽包液位仍下降，10d之后液位降至0。而之前正常時，3d時間內液位僅下降1%。為排除汽包及其相關管道漏的因素，進一步確認等溫變換爐內件是否內漏，將變換氣管道(即等溫變換爐殼程)充壓至約0.3MPa左右，觀察到汽包壓力與殼程壓力同步升降，即在等溫變換爐殼程壓力上升達到一定壓力時，汽包壓力開始上漲，等溫變換爐殼程壓力下降到一定壓力時，汽包壓力也開始下降。在汽包有液位時，因存在液位壓力差而使殼程壓力始終高于汽包壓力；當汽包水漏完無液位后，壓差降到0，并且由于變換氣管道(等溫變換爐殼側)系統大、漏點多，導致殼程降壓更快并低于汽包壓力。

經過以上工作，基本判斷等溫變換爐內件內漏，但內漏的部位還未確定。由于后續裝置開車在即，并且等溫變換爐內漏不是很嚴重，因此，在未進行消漏檢修的情況下再次開車。

再次開車升溫時，等溫變換爐床層西北側縱向4個測溫點溫度平穩上升，接氣后溫度也穩定在200℃左右。而東南側的測溫點在92℃左右，恒溫了一段時間之后再次上升，但接氣后溫度為180～240℃，不穩定，波動很大。

此次開車接氣時，后續的冷激汽化器液位暴漲，10s時間內液位從0漲到滿液位，之后下游的深度變換爐入口溫度迅速下降了33℃。分析原因是，之前大量內漏的水被催化劑吸附，在等溫變換爐床層升溫時解吸(這也與升溫時在92℃有恒溫區相互印證)，在后續的冷凝液加熱器中被冷凝下來，進入冷激汽化器。由于變換氣從冷激汽化器頂部進入，從中下部出來，而其底部排液管較小，大量冷凝液在短時間內進入而無法排出，液位到達一定高度后被變換氣帶入下游深度變換爐中，對催化劑造成不好的影響。這也反過來驗證了等溫變換爐內件內漏。

再次停車后，汽包液位下降速度更快，11h時間內液位從79%降到8%，等溫變換爐內件內漏情況加劇，嚴重影響催化劑的使用壽命及系統的安全、穩定運行，必須進行消漏檢修處理。

3 等溫變換爐的檢漏與檢修

由于等溫變換爐結構復雜，且裝填有硫化態的鈷鉬催化劑，檢修時若稍有不慎，就有可能釀成事故。陽煤集團太原化工新材料有限公司與湖南安淳、催化劑廠家等多方經過數次討論，擬定了等溫變換爐的檢漏、檢修方案。等溫變換爐結構示意見圖2。

圖2 等溫變換爐結構示意

3.1 檢漏方法

割卸等溫變換爐外筒上封頭及內件上管板，填焊密封外筒與內件管箱之間的間隙，向汽室內加入脫鹽水使其液面蓋過下管板換熱外管口約15mm。用氮氣將殼程充壓，檢查每個換熱外管口是否有氣泡冒出，如有氣泡冒出，說明此換熱管有漏點，將其封堵即可。

3.2 檢漏檢修步驟

3.2.1 降溫、卸壓、置換

將等溫變換爐催化劑床層溫度降溫到100℃以下。卸掉汽包壓力，通過汽包各排污管道、等溫變換爐底部導淋和進、出管道排凈口，將內件管箱及換熱管內的水位盡可能降至最低。

變換氣管道系統用氮氣置換并進行動火分析，達到能動火的程度。從等溫變換爐底部進出口管道排凈口充純氮氣，保證殼程處于微正壓狀態。

3.2.2 等溫變換爐外筒封頭割卸

開路兩套測溫熱電偶儀表線路(待上封頭及上管板割卸后再恢復，以監控床層溫度)，拆下熱電偶套管。

拆卸上封頭處連接的水、汽管道，檢查水、汽管道密封填料是否泄漏，并拆下填料。

從水室中下部位置對應的外筒處圓周切割等溫變換爐外筒上封頭，及時清理割口，盡量避免焊熔渣掉入外筒與內件之間的環隙。吊裝上封頭至地面。

3.2.3 等溫變換爐內件上管板割卸

剖開中心升汽管與上管板焊縫，在上管板以上200mm處割斷中心升汽管。剖開催化劑加料管及測溫套管與上管板的焊縫，并將加料管密封焊堵；在下管板以上200mm處割斷中心加料管(便于充壓檢漏時從升汽管處查看)，并用管帽封堵。

從水室中下部位置處，圓周切割內件上管箱壁，吊裝上管板至地面。密封填焊外筒與內件管箱之間的環隙。

3.2.4 等溫變換爐殼程充壓檢漏

用純氮氣將等溫變換爐殼程充壓至0.2～0.3MPa，在汽室內加入脫鹽水，使下管板液高約15mm。檢漏人員進入中心升汽管，將管道檢查機器人送入汽室各處，查看管口處是否有氣泡冒出，以此預判泄漏管大致區域并進行標記。

根據預判的泄漏區域，在對應的中管板上開檢漏孔(大小以人能自由進出為準)，吊卸切割下來的中管板，將區域內的換熱內管拔出，然后確認泄漏的換熱管。等溫變換爐殼程壓力卸至微正壓，排凈下管板的水，用堵頭將泄漏換熱管的外管堵焊密封。漏點焊堵完成后，殼程充壓至1.0～1.5MPa，重新檢查是否有新的泄漏點。重復上述步驟，直至所有泄漏點全部檢出并焊堵試壓合格。

3.2.5 等溫變換爐恢復安裝

檢漏及消漏完成后，插入不泄漏的換熱管的內管，恢復中管板檢漏孔，恢復所有換熱內管與中管板的密封焊接。恢復上管板及其水室管箱，恢復中心升汽管與上管板的密封焊接，恢復其中心升汽管高度，催化劑加料管和測溫熱電偶套管也同步恢復。刨去外筒與內件管箱間的密封焊堵，恢復環隙?；謴屯馔卜忸^，恢復安裝上封頭組件及其配管。

按相關規定做管箱、外筒、配管等的壓力試驗，注意試驗應在所有水、汽管道及密封填料恢復后進行，與汽包同步充壓，防止出現較大壓差損壞內件。

至此，等溫變換爐檢漏、消漏工作全部完成。

4 檢漏結果及檢修措施

等溫變換爐整個檢漏、檢修工作耗時1月有余，檢出1處漏點在南側φ418降水管與管箱上管板的焊縫處，裂縫長約250mm。分析原因是，設備安裝時降水管與外筒上封頭降水管口的中心未完全對中，開車后設備運行溫度較高，產生形變，而降水管與管箱上管板的角接焊縫處應力集中，產生疲勞裂紋，再次開車后，在持續運行中的裂縫越來越長。運行中汽包壓力始終高于殼程壓力，汽包水通過裂縫泄漏到上管板，然后通過催化劑加料管、外殼與內件間的環隙漏入催化劑床層。

此外，外筒上封頭與降水管、升汽管間的填料未發現泄漏，內件換熱管也未檢出漏點。

針對降水管出現裂縫的問題，檢修時將上封頭內的降水管和升汽管增加一段膨脹節，以解決熱膨脹應力的問題。

5 等溫變換爐操作注意事項

由于檢修對等溫變換爐本體的結構強度等造成一定影響，綜合考慮本次漏水的原因，對等溫變換爐的操作做如下調整及要求：①在等溫變換爐開停車過程及正常生產中，要注意按規程操作，將升/降壓速率及升/降溫速率控制在指標內，并始終保證汽氣兩側壓差(等溫變換爐管殼程壓差)≤1.0MPa(原設計≤2.0MPa)；②適當降低汽包運行壓力，高于系統壓力0.1～0.2MPa(原設計約0.8MPa)，使汽包自產蒸汽能加入系統即可，在保證床層溫度和出口氣體成分的前提下，盡量縮小汽氣壓差，降低內件泄漏概率；③嚴格控制汽包上水水質和循環汽包水水質(水質符合GB/T 12145要求)。

6 結語

陽煤太原化工新材料有限公司等溫變換工藝采用的湖南安淳的單套DN4600等溫變換爐是目前國內最大的等溫變換爐，具有諸多優勢，但其內部結構復雜，檢修困難。本文針對等溫變換爐內件漏水的問題，出具檢漏檢修方案，檢查出降水管因熱膨脹焊縫斷裂而造成漏水，并采取措施，增加膨脹節。本次檢漏驗證了湖南安淳等溫變換爐內件加工的可靠性，特別是一體成型換熱管的可靠性。

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