變換爐卸料口裂紋的產生原因及卸料口優化改造方法

馮含卓 劉華 李彥東

摘 要：針對水煤漿氣化工藝下游的變換爐卸料口短接管與加強管之間焊接處易出現裂紋的問題，本方法通過分析其裂紋產生的原因，并針對該原因對變換爐的卸料口結構進行優化改造，能夠有效的解決卸料口短接管與加強管之間的焊接處裂紋問題，消除設備運行的安全隱患。

關鍵詞：變換爐;卸料口;裂紋;優化改造

0 前言

鄂爾多斯市昊華國泰化工有限公司40萬t/a煤制甲醇項目為國內先進工藝水平的煤制甲醇項目，氣化裝置采用華東理工大學四噴嘴對置式水煤漿氣化爐，后系統變換裝置采用耐硫變換配氣工藝，低溫甲醇洗采用惠生工程公司的6塔凈化流程，甲醇合成采用華東理工大學的“管殼外冷-絕熱復合式固定床催化反應器”專利技術。其中變化爐設備為煤制甲醇工藝流程中調節水煤氣氫碳比的重要設備，對整個工藝生產的連續穩定運行起著重要作用。

我公司變換爐設備的生產廠家為中國石化集團南京化學工業有限公司化工機械廠，該變換爐自2015年8月份投料運行以來，一直運行穩定，各項指標均能滿足生產要求。2018年7月份發現變換爐卸料口損壞，2018年10月份對卸料口進行優化改造，優化改造后運行至今設備運行狀況處于良好狀態。

1 變換爐的結構特點及使用工況

我公司的變換爐結構為立式圓筒型結構，如圖1所示。變換爐容積為100.1m3，內徑為3600mm，高度為14250mm，殼體厚度為122+6mm，封頭厚度為75+6mm，殼體重量為139250kg，充重重量為239350kg;殼體和封頭材質為SA387Gr.11CL2+S.S材料，與設備相連接的接管、法蘭采用SA182F11CL.2+S.S和S32168IV級鍛件，所有接管均采用嵌入式整體補強結構;考慮介質的腐蝕性，在設備內壁堆焊為6mm厚的321材質的不銹鋼耐腐蝕層。

變換爐筒體內設置2層催化劑觸媒床層，上層催化劑的裝填高度為1900mm，上層催化劑頂部和底部各裝填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;下層催化劑的裝填高度為2720mm，下層催化劑頂部和底部也各裝填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;變換爐鍋底全部裝填Ф50mm的耐火瓷球。

變換爐底部和中部各設置有一個卸料口，如圖2所示，以方便在更換內部催化劑及氧化鋁瓷球作業時，可以打開卸料口的盲法蘭蓋，進行可控制的連續的卸料作業。

變換爐內的介質特性：變換爐內介質為四噴嘴水煤漿氣化工段產出的水煤氣，經變換反應后轉化為甲醇合成工藝用變換氣，其特性為高溫高壓、易燃易爆，介質毒性為中度，設備運行工況較為苛刻。

變換爐的工作原理：我公司變換爐采用傳統的、成熟的軸向變換工藝，CO的變換率高，變換爐的進出口阻力降穩定，壓力損失小，對生產系統的影響小，有利于長周期穩定運行。變換爐工作時，至自上游工段過來的水煤氣預熱后經變換爐頂部入口進入上層催化劑進行變換反應，反應后的工藝氣體穿過上層催化劑后繼續進入下層催化劑進行變換反應，反應后的工藝氣體最終經由變換爐底部的集氣口匯總后送出，工藝介質中的H2O和CO在催化劑及熱量的作用下，最終轉變成為H2和CO2，同時釋放出大量的熱量，少部分熱量保留在變換爐內以維持催化劑床層溫度恒定并做為變換反應的熱源，大部分熱量隨反應后的工藝氣移出變換爐，做為變換爐入口水煤氣的預熱熱源，多余的熱量進入余熱回收工段，回收反應余熱，副產0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa三種壓力等級的飽和蒸汽。

2 卸料口存在的問題

我公司變換爐自2015年8月份投料開車以來，嚴格按照工藝指標進行操作。2017年9月份進行首次定期檢驗，對外部筒體和接管進行了超聲、磁粉、滲透、測厚等一系列檢測，未進行內部檢測，外檢結果顯示設備狀況良好。

2018年3月我公司利用變換爐更換催化劑的機會，對設備內部進行了磁粉、滲透等一系列檢測，未發現缺陷，沒有出現腐蝕減薄的現象，內襯狀況良好。

2018年7月份，在變換爐正常運行使用過程中，發現變換爐下部卸料口根部有可燃氣體及水蒸汽泄漏，如圖3所示，經停車檢查確認，泄漏部位為變換爐下部卸料口，進一步檢查結果如下：

①環向對接接頭整圈（斷續）存在超標缺陷，深度（距外表面）范圍3.2mm～17.4mm;

②距焊縫約30mm范圍母材存在10處超標缺陷，深度（距外表面）范圍3.1mm～17.4mm，且缺陷大多呈橫向（或斜向）特征;

③缺陷附近可能有數條缺陷（分叉或網狀），為方便標識，將反射信號超過判廢線作為記數原則，共計10處超標缺陷。

根據檢測結果，我公司在經過相關質檢部門的許可后對卸料口進行了初步的修復工作。通過著色檢測來配合確定裂紋位置，再利用碳弧氣刨將裂紋祛除，直至著色檢查不再有裂紋為止，而后采用焊條進行手把焊堆焊修復，最后進行熱處理和壓力試驗，維修后的卸料口運行至2018年10月份，在此期間未發生泄漏情況。

2018年10月份，我公司在生產系統停車檢修期間計劃對變換爐卸料口泄漏問題進行徹底的解決，通過對卸料口的短接管與加強管之間的焊縫切割發現，上次維修后經過3個月的運行使用，卸料口部位再次出現裂紋缺陷，缺陷情況見圖4、圖5所示。

根據變換爐的使用情況分析，我公司變換爐卸料口產生裂紋的主要原因如下：

①異種鋼焊接。卸料口加強管（材質SA182F11CL.2+S.S）與卸料口短接管（材質0Cr18Ni10Ti）之間的焊接為異種鋼焊接，異種鋼焊接本身的強度較同種鋼焊接強度低;

②設計缺陷。由于變換爐卸料口管線總長度約1600mm，且位于變換爐裙座外部，卸料口位置的介質長期處于無流動狀態，形成死區，變換爐水煤氣中的水蒸氣在卸料口底端很容易冷凝，水煤氣中的H2S、CO2等介質在液態水中不斷地溶解形成飽和溶液，并呈現酸性環境，在合適的溫度條件下易造成設備腐蝕;

③露點腐蝕。經檢修發現卸料口損壞部位的腐蝕以穿透性的裂紋為主，而此部位的溫度也長年維持在較低的溫度狀態下，有利于露點腐蝕情況的發生。

3 卸料口優化改造方法

基于以上對變換爐卸料口損壞情況的原因分析，簡單通過常規的方法對卸料口進行維修后設備可能仍然會再次損壞的情況，要想徹底解決該問題，必須消除卸料口在運行過程中存在的死區以及介質冷凝后對異種鋼焊接腐蝕等一系列缺陷，通過改善卸料口的運行使用環境，才能從根本上解決該問題。

同時，根據對催化劑裝填工作的調查發現，目前傳統的催化劑卸料工作基本習慣于通過卸料口卸料，卸料過程中催化劑粉末揚塵大，對作業人員及環境危害大。隨著催化劑裝填技術的發展，目前催化劑卸料已逐步開始使用抽真空法卸料，卸料時將吸料管插入催化劑床層中，通過抽真空設備產生負壓使催化劑經吸料管抽出設備，作業過程中可以減少催化劑粉末揚塵對作業人員及環境造成的危害，且對于規格為Ф50mm的瓷球也可輕松卸出，抽真空法卸料原理如圖7所示。

根據以上思路，在取得相關質檢部門的許可后，我公司對變換爐卸料口采取了以下兩歩方法進行維修改造：

①對原有的卸料口加強管與短接管的異種鋼焊接處裂紋進行修復處理，恢復原有的卸料口結構。根據現場操作工況，在卸料口接管上做好標記，采用等離子將卸料口短接管與上部加強管和下部法蘭處的兩道焊縫切割開，將加強管和法蘭處的原有的焊肉及裂紋去除干凈，并對加強管內部的堆焊層進行修復，堆焊修復完成后進行100%PT檢測，符合NB/T47013-2015 I 級合格。按原卸料口管道規格尺寸截取一段新的相同規格的短接管，打磨坡口，并與加強管和原法蘭焊接，焊接時采用GTAW+SMAW焊接，作業過程中控制道間溫度≤150℃，焊后進行100%PT、100%RT檢測，符合NB/T47013-2015 I級合格，焊接規范要求見表1和表2;

②加工制作一合適材質和尺寸的堵頭，從變換爐鍋底的卸料口加強管開孔處進行堵塞焊接，徹底隔離卸料口與變換爐之間的連接通道，消除運行死區。

根據設備運行條件，由設計院核算并出具堵頭的規格尺寸，如圖8所示，材質采用321不銹鋼，堵頭與變換爐下封頭處的角焊縫進行密封焊接，角焊縫高度為15mm，焊接時采用SMAW填充焊滿，焊接時控制道間溫度≤150℃，焊后進行100%PT檢測，符合NB/T47013-2015 I級合格，焊接技術規范見表3所示。

4 優化改造效果

改造前，卸料口的作用在于對催化劑進行卸料作業，據工藝要求，催化劑每3～4年需更換一次。卸料口改造后在保障不影響催化劑卸料的情況下取消了該卸料口的卸料作用，同時也消除了卸料口在運行過程中存在的死區以及介質冷凝后對異種鋼焊接腐蝕等一系列缺陷，改善了卸料口的運行使用環境，保障了設備可以長周期安全穩定運行，從根本上解決了卸料口損壞的問題。

同時，從安全角度來出發，改造后的變換爐從2018年10月份運行至今已接近兩年時間，經過運行觀察，卸料口未發生泄漏情況，卸料口泄漏問題已經得到徹底解決，設備的安全運行隱患得到消除。從工藝使用角度出發，卸料口改造后，對變換爐的工藝運行參數也無任何影響。從成本效益角度出發，通過對卸料口的改造維修，節省了卸料口頻繁出現損壞后的設備維修成本，同時也減少了因卸料口問題造成的生產系統開停車損失等，直接降低了公司的生產成本費用。

5 結束語

通過對比同行業該類型變換爐設備的使用情況來看，卸料口問題屬于比較常見的一類設備故障，因此有必要從設備的設計選型上進行優化改進，針對該問題，本文提出以下幾點改進意見供參考：

變換爐在設計選型上可以考慮增加卸料口的伴熱措施，保障設備在運行過程中卸料口和設備本體始終處于同一溫度狀態下，避免死區介質冷凝后腐蝕卸料口。

①取消現有的常規卸料口設計，設計采用更加環保有效的抽真空卸料措施，從源頭上消除變換爐卸料口存在損壞的安全隱患;

②采用更加新型高效的變換反應器，如軸徑向變換反應器等，該類型的變換反應器具有雙層結構，催化劑盛裝在反應器內部的觸媒框內，催化劑床層在操作過程中可以做到無溫差運行，催化劑卸料口直接與反應器內部的觸媒框相連接，卸料口焊接部位始終處于反應介質的包圍中，不存在死區情況，設備整體使用壽命將大大延長。

參考文獻：

[1]孫明達.料倉內粉粒體物料重力流對卸料口尺寸的影響[J].石油化工設計，2012（03）.