合成回路蒸汽發生器技術改造

李延娜，李勇

（1.蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

某化肥廠合成氨裝置原有2臺合成回路蒸汽發生器，在使用過程中多次發生管板與換熱管焊接接頭泄漏、換熱管腐蝕，導致整個合成氨裝置頻繁停車檢修，給該化肥廠造成很大損失。因此在更換合成回路蒸汽發生器時，對其主體材料進行了重新選擇，同時對其管板與換熱管焊接結構、布管方式進行了優化，取得了良好的效果。

1 設備概述

合成回路蒸汽發生器是合成氨裝置中的重要換熱器，作用是把合成塔出口的工藝氣冷卻并副產高壓蒸汽，由于其處于合成系統的前端，而且副產的高壓蒸汽又作為合成回路高壓蒸汽重要來源，所以其對于整個合成氨裝置的穩定運行至關重要。該合成回路蒸汽發生器為DEU換熱器，采用標準GB/T150設計，主要技術特性見表1，工藝氣組分見表2，整體結構圖見圖1。

2 原因分析

該合成回路蒸汽發生器管箱筒體、管板材料為12Cr2Mo1Ⅳ，換熱管材料為12Cr2Mo1。換熱管采用30°布置，放射式排列，具體見圖2。管板與換熱管連接方式采用強度焊加貼脹，管頭部位先用INCONEL600堆焊管板，再進行管板與換熱管的焊接，具體見圖3。

表1 合成回路蒸汽發生器技術特性

表2 合成回路蒸汽發生器工藝氣組分

圖1 合成回路蒸汽發生器整體結構圖

圖2 換熱管布置圖

圖3 管板與換熱板連接結構

該合成回路蒸汽發生器的結構存在以下缺陷：（1）管板與換熱管的連接先用INCONEL600堆焊管板，再進行管板與換熱管的焊接，這種連接結構不僅使管板與換熱管之間的焊接成為異種鋼焊接，而且使得焊縫完全暴露在高溫高壓的氫腐蝕環境中，失去了管板表面堆焊INCONEL600的意義。（2）存在間隙腐蝕。（3）換熱管管徑小，壁厚薄。（4）換熱管管間距較小，布置方式不合理。

由于該合成回路蒸汽發生器的結構存在上述缺陷，導致其在高溫工藝氣長期沖刷的環境下，管板與換熱管焊接接頭處氫腐蝕嚴重。此外，在高溫環境中熱應力也較大，使得腐蝕現象更加復雜，最終表現為管板與換熱管焊接接頭處泄漏、換熱管腐蝕等。

3 改進后技術特點

從表1、表2可以看出，該合成回路蒸汽發生器管程與殼程壓力較高，且管程工藝氣中H2、NH3含量較高，因此在其選材時需要考慮強度、氫腐蝕、應力腐蝕等問題。

相對于采用撓性薄管板的蒸汽發生器而言，該合成回路蒸汽發生器由于管程工藝氣與殼程水蒸汽溫差不是很大，入口工藝氣溫度也相對較低，因此采用厚管板、U型管式結構。此外，由于管程入口工藝氣溫度高達437℃，所以U型管束采用輻射狀排列，換熱管入口布置在管板中心，出口布置在管板外邊緣。這樣，高溫氣體不直接與管箱接觸，保證了管箱不超溫，選材更加合理，節約成本。同時，保證了管板徑向應力分布均勻，降低了管箱周邊的熱應力，避免了應力集中現象的發生。

針對管板與換熱管焊接接頭泄漏的情況，采用如下連接方式：先進行管板與換熱管的焊接，再對管板表面進行INCONEL600堆焊，具體見圖4，這種連接結構有效保證了堆焊完成后管板與換熱管的焊縫區完全覆蓋在INCONEL600堆焊層下，避免應力集中同時又使管板與換熱管的焊縫區免受高溫氫腐蝕危害。此外，高溫入口側增加了INCONEL600保護套管，避免高溫工藝氣直接沖刷管頭部位，降低管頭部位發生高溫氫腐蝕的可能，保證該合成回路蒸汽發生器能夠長期穩定運行。

圖4 改進后管板與換熱管連接結構

原合成回路蒸汽發生器換熱管的規格為φ25×2.5，換熱管間距為32mm，經過重新核算，換熱管熱流密度較大，同時換熱管管壁也較薄，導致換熱管局部過熱開裂，腐蝕嚴重。此外，考慮到該合成回路蒸汽發生器管束為不可拆卸結構，且換熱管長期受管程合成氣高溫氧化和殼程水汽氧化的共同腐蝕，壽命較短。所以為了保證該合成回路蒸汽發生器整體使用壽命，將其換熱管的規格更換為φ32×4，同時增大換熱管間距，這樣有效降低了換熱管中工藝氣的流速和熱流密度，保證了換熱管表面膜態沸騰的形成，達到保護換熱管的效果。

4 實際應用情況

結構優化后的合成回路蒸汽發生器于2014年投用至今，使用效果非常好，任何部位都沒有因管板與換熱管焊接接頭泄漏及換熱管腐蝕而影響正常運行。后期又有類似蒸汽發生器采用同樣結構，運行狀況良好。

5 結語

合成回路蒸汽發生器是合成氨裝置中的關鍵設備，關系到整個合成氨裝置安全、穩定的運行。本文對合成氨裝置中的合成回路蒸汽發生器管板與換熱管焊接接頭泄漏及換熱管腐蝕原因做了詳細闡述，同時針對該問題提出了合理意見，進一步優化了該合成回路蒸汽發生器，延長了其使用壽命，達到了預期效果。優化后的結構值得部分設計及制造單位參考，為類似蒸汽發生器提供借鑒。