卡薩利氨合成塔廢熱鍋爐故障處理

文/白彥 宋志宇

廢熱鍋爐泄漏原因分析及維修方案——在合成氨生產企業中，氨合成塔及廢熱鍋爐等核心設備尤為關鍵，無論在運行管理還是檢修規范方面，都應該高度重視。本文從廢熱鍋爐的泄漏及維修入手，分別從設備的結構特點、使用的材質、損壞位置及形式進行分析，對導致的原因進行了判斷。最后通過與制造廠家溝通，給出了修復方案，為有同類型設備的企業處理該問題，提供了參考。

晉煤天源高平化工有限公司于2006年建成投產設計能力為年生產合成氨40萬t、大顆粒尿素60萬t。在合成系統氨合成工段，來自雙甲精制的新鮮氣，進入合成氣壓縮機高壓缸加壓后，經循環段壓縮至14.2 MPa，溫度74.3 ℃,然后進入氣氣換熱器的殼程,在此被來自鍋爐給水預熱器的熱氣體加熱到208 ℃,進入合成塔反應生成合成氨。

從合成塔出來的氣體，氨含量約為18.04%(V),溫度約為426 ℃,該氣體首先進入合成塔廢熱鍋爐被冷卻到270 ℃,然后進入鍋爐給水預熱器管程,當被冷卻到234.5 ℃,并同時副產部分中壓蒸汽，出鍋爐給水預熱器的氣體先后進入熱氣氣換熱器、水冷器等換熱設備，最終被冷卻至–10 ℃成為產品氨。其工藝流程方框圖見圖1，廢熱鍋爐設備主要技術參數見表1。

氨合成塔及廢熱鍋爐是合成氨生產的關鍵設備之一，制造廠采用的是瑞士卡薩利公司的三觸媒床兩換熱器軸徑向合成塔內件，合成塔廢熱鍋爐為固定管板釜式U形管換熱器，設計采用偏心管板、合金短管、連接管、管板堆焊耐熱層以及內孔焊等技術，技術標準采用ASMEⅧ、AD 2000及TEMA R。

圖1 工藝流程方框圖

表1 廢熱鍋爐主要技術參數

圖2 設備結構簡圖

由于合成塔氣體出口溫度為420℃，壓力約14.7 MPa，且H2含量較高（51.20 %），工況特殊，因此在設備選材上需要綜合考慮熱強度、耐氫腐蝕以及回火脆化等問題。同時由于冷熱介質接觸，其溫差較大（200℃左右），所以要求換熱管與管板的焊接質量必須穩定可靠，其設備結構簡圖見圖2。

存在主要問題

2017年4月在對合成廢熱鍋爐蒸汽冷凝液的例行取樣檢測過程中，檢測出了氨離子含量，其濃度從最初的50 mg/L,逐步擴大到1 200 mg/L。初步判斷是由于廢熱鍋爐泄漏造成，對生產造成了極大影響，同時蒸汽系統也存在著超壓的隱患。

系統停車隔離后，經檢查發現確實是廢熱鍋爐換熱管泄漏，因其結構的特殊性，為進一步判斷其泄漏位置及原因：

采用工業內窺鏡（型號：VIS 2000 PRO美國）對換熱管內部進行了檢查，結果如圖3～6。

通過使用工業內窺鏡對118根換熱管逐根進行檢查，疑似有腐蝕及泄漏的管道共計12根，如圖7。疑似腐蝕及泄漏位置多為管板最下側（內外）3排管道，泄漏位置多數為從管板處向內0.5 m左右，通過內窺鏡檢查，基本排除了內孔焊焊接質量及管板受熱變形、開裂的因素。

采用渦流檢測（型號：EEC-39 愛德森電子）對所有換熱管道內部進行了檢測，結果如下：

1.內圈(工藝氣進口側)列管

（1）探傷結果

①列管探傷未發現有明顯的可記錄缺陷信號。

圖3 部分泄漏管道：懷疑泄漏位置從管板處向內0.4 m左右

圖5部分泄漏管道：泄漏位置從管板處向內0.4 m，明顯孔洞

圖6未泄漏的管道：對未發生泄露的管道進行檢測，從管板處向內0.6 m處有點蝕

圖7工業內窺鏡對換熱器的檢查顯示泄漏處

②靠下部的少部分列管（主要是最下面三排）局部渦流探傷抖動較大，對應部位渦流測厚有明顯的腐蝕減薄信號。

（2）測厚結果

①列管壁厚分布范圍比較分散，實際測得壁厚范圍在1.90～2.70 mm。

②部分列管均存在程度不一的腐蝕減薄，腐蝕減薄明顯的位置一般靠近管板的前半部。

（3）壁厚統計見表2

2.外圈（工藝氣出口側）列管

（1）探傷結果

①列管渦流探傷發現靠下部的列管探傷信號幅值、相位明顯異常、雜亂，有異常雜亂信號的位置主要在位于靠近管板的前兩塊隔板內（距管口約3 m的范圍內），也有少數異常信號位置在管子的后部、甚至分布整根直管段；在對應位置渦流測厚都發現有明顯的、嚴重程度不一的異常腐蝕減薄信號。

②有異常信號的管道共計24根。

表3 工藝氣出口側管道壁厚檢測結果 單位：mm

（2）測厚結果：

①列管壁厚分布范圍很分散，實際測得壁厚范圍在1.30～2.65mm。

②部分列管（主要在靠管板下部、堵管周圍）發現有明顯的異常腐蝕減薄信號，腐蝕減薄程度不一，有異常腐蝕減薄信號的位置主要在位于近管板的前兩塊隔板（距管口約3 m的范圍內），與渦流探傷結果相對應。

（3）壁厚統計如表3

結合兩種檢測結果，判定工藝氣出口側管道腐蝕較為嚴重，決定對打壓有漏點及測厚壁厚較薄的列管進行堵管處理。

原因分析及解決方案

為了滿足該設備苛刻工況的要求，在設備結構上采用了偏心管板，管板前段設置一塊板及法蘭，板固定在法蘭上，中間有密封墊，板及法蘭上有開孔，開孔的布置與管板上進氣側換熱管布置相同，法蘭與管板中間由INCONEL600合金短管焊接。板、法蘭、管板以及換熱管中間由475 mm長INCONEL 600合金連接管連接，連接管前段焊接在板上，后端約350 mm長纏繞1.5 mm厚陶瓷紙，連接管末端插入換熱管內。換熱管與管板采用內孔焊技術，該設備管板殼側面內側加工有管臺，U形管管頭與管臺相對接，從孔內實現管子和管臺的焊接，另外，由于進氣端溫度較高，為保護管板，在管板進氣側堆焊9 mm厚INCONEL 600合金，同時，在堆焊層處加工凹槽，合金短管與凹槽相對接，也采用內孔焊結構(見圖8)。

由于合成塔出口氣體溫度約420℃，易使管板部件產生熱應力變形，該設備U形管采用同心圓排列，熱端位于管板中心部分，冷端配置在管板的外緣，整個管子呈輻射狀的排列，同時設置內聯箱，高溫氣體通過管板中心部位的內聯箱進入U形管，換熱后再從外側換熱管出來返回廢鍋管側集箱(見圖9)，從而保證了管板徑向應力均勻分布，同時也降低了管箱周邊的熱應力。

在材質選用上，殼程筒體材料選用SA-516，70級，殼程接管材料選用SA-350 LF2級Ⅰ類，管箱、封頭、接管以及管板鍛件材料選用12CrMo9-10，換熱管材料選用10CrMo9-10。設備主要受熱承壓部件選用的材料均是歐標10028《壓力容器用鋼——第二部分規定高溫性能的非合金和合金鋼》中材料，該材料具有優良的抗氫腐蝕和耐高溫氧化能力。主體材料的化學成分見表4，機械性能見表5。

原因判斷

廢熱鍋爐的給水由鍋爐給水預熱器提供，鍋爐給水預熱器頂部在設計時安裝有爆破片，前期因爆破片破裂，導致廢熱鍋爐液位在短時間內驟降，然而未引起操作人員的重視，沒有及時停車進行冷卻降溫；后期更換爆破片后，補水速度過快，可能造成換熱管冷熱溫差變化較大，材料特性發生變化（因設備目前仍在運行，故暫時無法檢測換熱管材質特性變化）；同時由于廢鍋水側無加藥裝置長期運行，在設備內部集聚了腐蝕性物質。綜合以上原因導致了換熱管的腐蝕，以上分析也可說明為何工藝氣出口側（外側下部）換熱管損壞較多的原因。

圖 8 進氣側設備結構圖

圖9 換熱管分布圖

表4 主體材料化學成分

堵漏解決方案

1.因設備結構的特殊性，由卡薩利廠家提供了專業的堵漏方案，具體步驟如下（見圖10，圖11）

（1）將475 mm長INCONEL 600合金連接管與板的焊接部分用角磨機磨開，在連接管上焊接一個內螺紋接頭，將倒錘與連接管固定，最后用倒錘將連接管取出；

（2）加工專用堵頭（見圖7），長度為360 mm，材質為INCONEL600合金，插入原連接管位置處；

（3）堵頭在管板處采用脹接形式，脹管長度80 mm，脹管厚度3.55 mm，堵頭前段穿過板，與法蘭孔內金屬短管內壁焊接；

（4）出口側換熱管道，同樣加工堵頭（見圖12），長度為280 mm，材質為INCONEL 600合金，堵頭末端與管板脹接，脹管長度80 mm，脹管厚度3.55 mm，前段與管板堆焊層焊接。

（5）在堵頭的密封焊縫上做著色檢查。

2.需注意的焊接工藝

采用手工氬弧焊，焊絲型號，ERNiCr-3；焊接的起弧和收弧一定要在堵頭上；由于板的影響，焊接前可將板上孔的尺寸適當擴大，以保證焊接質量；脹管器型號：P3Z-T,電動脹管器，脹力1.8 MPa。

3.檢驗檢測

堵漏結束后，采用了兩種檢測方法，進行設備查漏。

（1）殼側水壓試驗，按照出廠時水壓試驗的壓力，殼側水壓打壓至4.5 MPa, 檢查管道是否有泄漏，保壓30 min，檢查是否有壓降。

（2）殼側氨滲漏試驗，殼側先充氮氣，至分析氧氣含量≤0.5 %；引氨氣15 %(V)進入設備殼側，當壓力達到0.1 MPa后，氮氣充壓至殼側壓力達到0.6 MPa，將噴有酚酞溶液的試紙貼敷在管板上并保證覆蓋全部列管口，殼側保壓4 h（氨濃度過低可延長保壓時間或提高氨濃度縮短保壓時間），檢測試紙是否有紅色斑點出現并進行準確標記；當壓力泄完后，用氮氣對殼側進行置換，分析殼側氨含量≤30 ppm后置換合格。

圖10 進氣口側管道堵漏圖

圖11 出氣側管道堵漏圖

圖12 堵頭尺寸圖

檢修結束后，注意緩慢提溫及升壓，開車后經檢測，漏點已全部消除，因減薄及管道較多，后期運行中，要控制負荷及壓力，同時重新制作一臺新設備。

總結

由于氨合成塔及廢熱鍋爐在合成氨企業中屬于關鍵核心設備對生產影響較大，因此熟悉和掌握該設備的工藝流程及結構特點尤為關鍵。該設備采用了多項先進技術，部分技術在國內GB150—2011《壓力容器》中尚未收錄，但在實際運行中效果良好，保證了設備運行的安全性、穩定性，值得國內的設計和制造單位認真研究和消化吸收，以提高我國合成廢熱鍋爐的設計和制造水平。