合成氨裝置變換系統(tǒng)水加熱器泄漏原因分析及解決

趙 陽，袁 帥

(安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455133)

0 引 言

安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡稱安化公司)第二套合成氨/尿素裝置于1999年3月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為120 kt/a合成氨、200 kt/a尿素，其半水煤氣凈化系統(tǒng)采用中溫變換→低溫變換→變換氣脫硫→鉀堿液脫碳→氧化鋅脫硫→甲烷化的工藝流程。2010年，本套合成氨裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造，改造為聯(lián)醇工藝，凈化系統(tǒng)工藝流程改為中溫變換→低溫變換→變換氣脫硫→變壓吸附脫碳→干法脫硫→低壓醇烴化→氨合成；改造完成后，第二套合成氨/尿素裝置產(chǎn)能為170 kt/a氨醇、240 kt/a尿素。安化公司第二套合成氨/尿素裝置中串低變換工藝系統(tǒng)中，水加熱器的作用是使中變爐出口氣與熱水泵出口熱水在此完成換熱，以降低中變爐出口氣的溫度，使中變氣溫度指標(biāo)達(dá)到進(jìn)低變爐的要求。2019—2020年變換系統(tǒng)水加熱器頻繁出現(xiàn)泄漏，泄漏的熱水帶入低變爐后，造成低變催化劑活性下降，對系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷影響很大，同時還影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，安化公司采取了一系列措施，最終徹底解決了水加熱器泄漏的問題，以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 變換系統(tǒng)工藝流程及水加熱器簡介

1.1 變換系統(tǒng)工藝氣流程

造氣系統(tǒng)來的半水煤氣，經(jīng)壓縮機(jī)提壓至2.16 MPa送入變換系統(tǒng)，經(jīng)入工段分離器分離煤氣中的廢油水后從飽和塔塔底進(jìn)入，循環(huán)熱水從飽和塔塔頂進(jìn)入，在飽和塔內(nèi)經(jīng)換熱后半水煤氣溫度從常溫提至約140 ℃，之后從蒸汽混合器頂部進(jìn)入，與從蒸汽混合器底部進(jìn)入的2.5 MPa蒸汽混合，再經(jīng)中溫?fù)Q熱器繼續(xù)提溫，通過副線調(diào)節(jié)溫度至340 ℃左右，進(jìn)入中變爐進(jìn)行變換反應(yīng)，使半水煤氣中的CO含量由約30%降至約7%；出中變爐的工藝氣(中變氣)溫度在420 ℃左右，進(jìn)入中溫?fù)Q熱器降溫至約270 ℃，再通過水加熱器與循環(huán)熱水換熱降溫至200 ℃左右，進(jìn)入低變爐進(jìn)一步進(jìn)行變換反應(yīng)，使工藝氣中的CO含量降至1%左右，之后低變爐出口工藝氣(低變氣)經(jīng)降溫后送至變換氣脫硫塔。

1.2 變換系統(tǒng)循環(huán)熱水流程

循環(huán)熱水通過水加熱器與中變氣換熱，溫度升高至160 ℃左右進(jìn)入飽和塔頂部加熱、增濕半水煤氣，降溫后的熱水再到熱水塔頂部，與低變氣換熱，降低低變氣的溫度并回收熱量，從熱水塔出來的熱水由熱水循環(huán)泵加壓至2.8 MPa左右送入水加熱器，形成熱水循環(huán)。據(jù)熱水水質(zhì)分析情況，通過熱水塔底排污進(jìn)行部分熱水的置換——循環(huán)熱水用4.0 MPa脫鹽脫氧水補(bǔ)充和置換，可從飽和塔補(bǔ)入，也可從熱水塔補(bǔ)入。

1.3 水加熱器概況

水加熱器為列管式換熱器，屬二類容器，外筒規(guī)格為φ1 000 mm×14 mm×4 200 mm，換熱面積232 m2；水加熱器列管材質(zhì)為S32168，共有列管737根，列管規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm×4 200 mm。水加熱器管程介質(zhì)為循環(huán)熱水，設(shè)計(jì)壓力3.12 MPa、操作壓力2.84 MPa，設(shè)計(jì)溫度170 ℃、操作溫度157.5～168.4 ℃；水加熱器殼程介質(zhì)為變換氣，設(shè)計(jì)壓力2.42 MPa、操作壓力2.20 MPa，設(shè)計(jì)溫度292 ℃、操作溫度182.0～291.6 ℃。

2 水加熱器列管泄漏事故經(jīng)過

2019—2020年變換系統(tǒng)水加熱器共出現(xiàn)過3次泄漏：2019年4月15日，投運(yùn)低變爐的過程中，發(fā)現(xiàn)低變爐入口導(dǎo)淋大量帶水，變換系統(tǒng)停止開車，處理水加熱器泄漏列管11根；2019年10月，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)低變爐阻力上漲較快，判斷水加熱器出現(xiàn)內(nèi)漏，當(dāng)年11月檢修時對水加熱器進(jìn)行了更新；2020年6月，第二套合成氨/尿素裝置檢修后開車的過程中，水加熱器再次出現(xiàn)泄漏，發(fā)現(xiàn)近300根列管泄漏，不得不更換為備用水加熱器。

以2020年6月的這次水加熱器列管泄漏為例，當(dāng)時第二套合成氨/尿素裝置檢修后開車，6月21日00:25中變催化劑開始氮?dú)馍郎兀?9:52開脫鹽水調(diào)節(jié)閥(FI10406)向飽和塔補(bǔ)水，補(bǔ)水(脫鹽水)流量為4 m3/h，20:42飽和塔液位開始上漲，21:32飽和塔液位達(dá)到56%，停止補(bǔ)水，自調(diào)閥關(guān)閉，21:40開熱水循環(huán)泵5 min，21:55中變爐開始通蒸汽提溫(低變爐前放空)。6月22日06:40接半水煤氣開車，飽和塔放空，低變爐前放空，13:35變脫塔后放空，19:43雙機(jī)加滿負(fù)荷生產(chǎn)，21:40凈化氣微量合格送氨合成系統(tǒng)；23:00發(fā)現(xiàn)甲醇合成塔填料泄漏。6月23日10:55安排停車處理。變換系統(tǒng)停車后發(fā)現(xiàn)，水加熱器管間導(dǎo)淋有水排出，懷疑開車過程中水加熱器出現(xiàn)了泄漏，于是在管間導(dǎo)淋水排凈后，從水加熱器熱水入口管補(bǔ)熱水檢驗(yàn)水加熱器是否泄漏，補(bǔ)水后水加熱器管間導(dǎo)淋有大量水排出，基本確認(rèn)水加熱器出現(xiàn)了泄漏，隨即對水加熱器列管進(jìn)行堵漏：第一次堵管54根，充氮?dú)庠噳褐?.4 MPa不漏，回裝封頭后再從水加熱器熱水入口管補(bǔ)熱水，排水加熱器管間導(dǎo)淋時又有水排出，判斷水加熱器仍有列管泄漏；再次進(jìn)行堵漏處理，先后兩次查漏又發(fā)現(xiàn)近300根列管存在泄漏，水加熱器泄漏的列管數(shù)量已經(jīng)超過列管總數(shù)的1/3，不具備修復(fù)價值，即使修復(fù)后其換熱效果也滿足不了生產(chǎn)所需，故當(dāng)時直接更換為了備用水加熱器。

3 水加熱器泄漏列管檢測情況

本次水加熱器有超過300根列管出現(xiàn)泄漏，將所有列管全部抽出后，任意抽取了其中4根(分別編號為1#、2#、3#、4#)進(jìn)行宏觀檢查，并對這4根列管(或2#、3#列管)進(jìn)行了微觀檢測。

3.1 宏觀檢查情況

出現(xiàn)泄漏的300多根列管中，任意抽取的4根不銹鋼列管，經(jīng)打磨后肉眼觀察，全部有裂紋，形態(tài)為龜裂或放射狀裂紋。

3.2 微觀檢測情況

(1)對水加熱器任意抽取的4根泄漏列管(列管材質(zhì)為S32168)樣品進(jìn)行合金成分光譜檢驗(yàn)，并與新管(材質(zhì)為S32168)及《耐熱鋼棒》(GB/T 1221—2007)中統(tǒng)一數(shù)字代號為S32168的奧氏體型耐熱鋼的主要化學(xué)成分進(jìn)行對比，光譜檢驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢钥闯?，任意抽取的這4根泄漏列管的合金成分均符合GB/T 1221—2007要求。

表1 列管合金成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的對比 %

(2)對水加熱器的2#、3#泄漏列管和新管進(jìn)行組織形貌金相分析，結(jié)果為：新管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為5級，符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017)中奧氏體型耐熱鋼材料晶粒度要求；2#列管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為7級，符合GB/T 5310—2017要求；3#列管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為7級，符合GB/T 5310—2017要求。根據(jù)組織形貌檢測情況，水加熱器列管檢驗(yàn)結(jié)果未見異常，表明水加熱器列管出現(xiàn)裂紋與材料自身無關(guān)。

(3)對2#、3#泄漏列管裂紋和裂紋尖端進(jìn)行檢測，結(jié)果為：2#泄漏列管樣品裂紋起源于外壁，在裂紋起源處未見明顯腐蝕形貌，裂紋平直，略有分叉，裂紋多發(fā)，多數(shù)單獨(dú)發(fā)展且互相平行，靠近外壁有較多小裂紋，少數(shù)距離較近的有合并現(xiàn)象，裂紋尖端尖銳，裂紋為穿晶裂紋；3#泄漏樣品裂紋起源于外壁，在裂紋起源處未見明顯腐蝕形貌，裂紋平直，略有分叉，裂紋多發(fā)，多數(shù)單獨(dú)發(fā)展且互相平行，少數(shù)距離較近的有合并現(xiàn)象，裂紋尖端尖銳，裂紋為穿晶裂紋。從泄漏列管的裂紋形貌與裂紋走向看，其裂紋屬于熱疲勞裂紋。

4 水加熱器列管泄漏原因分析

結(jié)合水加熱器列管的檢測情況，從設(shè)備材質(zhì)、物料、操作等方面對本次水加熱器列管泄漏原因進(jìn)行分析，具體如下。

4.1 設(shè)備材質(zhì)方面

本次第二套合成氨/尿素裝置檢修期間，水加熱器的試壓查漏列為了檢修項(xiàng)目，通過試壓查漏未發(fā)現(xiàn)設(shè)備泄漏，可以排除檢修完成開車前設(shè)備本來就存在泄漏的情況；檢修后系統(tǒng)開車出現(xiàn)甲醇合成塔填料泄漏，停車處理時發(fā)現(xiàn)水加熱器泄漏列管數(shù)量已超過列管總數(shù)的1/3，對泄漏列管樣品進(jìn)行合金成分光譜檢驗(yàn)和組織形貌金相分析，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可排除水加熱器列管材質(zhì)不符合要求而引起泄漏的可能。

4.2 物料方面

采用蒸汽先加熱氮?dú)狻⒃儆傻獨(dú)鈱χ凶儬t催化劑床層進(jìn)行提溫，中變催化劑在氮?dú)馍郎亟Y(jié)束后，按要求中變爐一段催化劑床層溫度要達(dá)到350 ℃以上、二段催化劑床層溫度要達(dá)到300 ℃以上、三段催化劑床層溫度要達(dá)到260 ℃以上，但是在本次合成氨裝置檢修后開車采用此方法升溫時，由于冷熱交換器上/下封頭墊子出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致冷熱交換器無法投運(yùn)，這種氮?dú)馍郎胤绞街荒苁怪凶儬t一段催化劑床層溫度升至290 ℃、二段催化劑床層溫度升至220 ℃、三段催化劑床層溫度升至170 ℃，中變催化劑溫度達(dá)不到起活溫度，后不得不使用蒸汽直接進(jìn)中變爐提溫并在低變爐入口前放空泄壓；而水加熱器入口有切斷閥，水加熱器殼程出口管線沒有切斷閥，蒸汽提溫時，高溫蒸汽會通過出口管線對水加熱器進(jìn)行加熱，而此次中變爐催化劑床層提溫時間比以往要長，造成中溫?fù)Q熱器出口蒸汽溫度(TI10414)最高達(dá)到311 ℃，超出水加熱器殼程設(shè)計(jì)溫度292 ℃，即本次高溫蒸汽長時間加熱水加熱器造成的設(shè)備超溫應(yīng)該是導(dǎo)致水加熱器列管泄漏的一個主要原因。

4.3 操作方面

本次裝置檢修后開車氮?dú)馍郎剡^程中，使用中壓蒸汽提溫的要求是，提前建立飽和塔、熱水塔液位，之后開啟熱水泵3～5 min，使熱水泵出口管線以及水加熱器管內(nèi)充滿熱水，然后接中壓蒸汽，對中壓蒸汽管線進(jìn)行暖管，排放各導(dǎo)淋，打開中壓蒸汽放空閥，逐步增加中壓蒸汽放空量，用中壓蒸汽對中變爐催化劑床層進(jìn)行提溫。本次系統(tǒng)實(shí)際升溫過程為，6月21日19:52開脫鹽水調(diào)節(jié)閥(FI10406)向飽和塔補(bǔ)水，21:32飽和塔液位達(dá)到56%，21:40開熱水循環(huán)泵5 min，21:55中變爐開始通蒸汽提溫(低變爐前放空)；6月22日06:40蒸汽提溫結(jié)束。從實(shí)際操作過程來看，操作工是按照要求進(jìn)行的操作，但正常情況下中變爐蒸汽提溫只需2 h左右，而本次開車蒸汽提溫用時近10 h，蒸汽提溫時間過長，會造成水加熱器管程內(nèi)的脫鹽水蒸干，水加熱器缺水，列管不能得到均勻的冷卻，列管局部出現(xiàn)溫度波動，列管在長時間劇烈的溫度波動狀態(tài)下，在熱應(yīng)力最大的方向出現(xiàn)熱疲勞裂紋，熱疲勞裂紋由外壁逐漸延伸至內(nèi)壁，在蒸汽提溫結(jié)束后接半水煤氣開車期間，一開啟熱水泵，大量循環(huán)熱水進(jìn)入水加熱器列管，熱水遇高溫迅速汽化造成列管“爆管”而泄漏，這應(yīng)該是水加熱器列管泄漏的又一個主要原因。

5 解決/預(yù)防措施

(1)設(shè)備檢修方面，要避免水加熱器列管泄漏，首先要保證設(shè)備在檢修期間試壓查漏壓力達(dá)到0.6 MPa以上(水加熱器正常投運(yùn)期間管程內(nèi)外壓差為0.6 MPa)，以防查漏壓力低造成漏點(diǎn)處理不徹底繼而系統(tǒng)開車后再次出現(xiàn)泄漏。下次系統(tǒng)檢修時，在水加熱器出口管線上增加切斷閥，把水加熱器隔離出來，從根本上解決蒸汽提溫期間長時間加熱設(shè)備造成的超溫問題。

(2)工藝操作方面，進(jìn)一步細(xì)化操作要求，使用中壓蒸汽提溫的要求細(xì)化為，提高4.0 MPa熱水溫度至80 ℃以上，提前建立飽和塔、熱水塔液位，開啟熱水泵3～5 min，使熱水泵出口管線以及水加熱器列管內(nèi)充滿熱水，之后開2#增濕器噴水自調(diào)閥(TV411)前切斷閥并全開自調(diào)閥后導(dǎo)淋，從水加熱器熱水入口管補(bǔ)熱水，保證流量計(jì)(FV10406)流量在5 m3/h以上，打開水加熱器出口熱水管上新增導(dǎo)淋，確認(rèn)有水排出(開車期間保持長流水)，然后開始接中壓蒸汽，對中壓蒸汽管線進(jìn)行暖管，排放各導(dǎo)淋，打開中壓蒸汽放空閥，逐步增加中壓蒸汽放空量，用中壓蒸汽對中變爐催化劑床層進(jìn)行提溫。中壓蒸汽提溫要求細(xì)化后，通過連續(xù)補(bǔ)水可避免蒸汽提溫時間過長造成的水加熱器內(nèi)的水被蒸干，從而可消除因缺水造成的水加熱器列管熱疲勞和循環(huán)熱水大量進(jìn)入后列管“爆管”而致的泄漏。

(3)平時加強(qiáng)操作工技術(shù)培訓(xùn)，提高操作技能，以便能正確地判斷和處理異常問題。

采取上述維護(hù)保養(yǎng)、技術(shù)改造、細(xì)化操作、加強(qiáng)培訓(xùn)等措施后，第二套合成氨/尿素裝置變換系統(tǒng)水加熱器列管泄漏問題得到徹底解決。

6 結(jié)束語

在變換系統(tǒng)水加熱器列管泄漏問題的原因分析及處理過程中，我們認(rèn)識到：無論是換熱設(shè)備“干燒”還是鍋爐設(shè)備“干燒”，都會造成設(shè)備超溫，影響金屬材料的強(qiáng)度，會對設(shè)備本身造成損壞，且“干燒”后的設(shè)備一般很難修復(fù)，多數(shù)情況下均需停車更換新設(shè)備；當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備嚴(yán)重缺水后，嚴(yán)禁向設(shè)備內(nèi)加水，若強(qiáng)行補(bǔ)水，由于溫差過大，會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力而使設(shè)備損壞，甚至因水遇到灼熱的金屬表面會瞬間汽化產(chǎn)生大量的蒸汽使設(shè)備內(nèi)壓力瞬間急劇升高而造成“爆管”或更嚴(yán)重的爆炸事故。因此，遇到類似問題的正確處理方式為，立即停車，使設(shè)備逐漸冷卻，檢查合格后才能再次使用。日常生產(chǎn)中，對于列管式換熱器這類設(shè)備，初期投運(yùn)時一定要控制好升溫速率，要先預(yù)熱，再逐步提溫；開車時，先開啟冷介質(zhì)閥門，待穩(wěn)定后再開啟熱介質(zhì)閥門；停車時，先關(guān)閉熱介質(zhì)閥門，再關(guān)閉冷介質(zhì)閥門；正常生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，嚴(yán)禁設(shè)備超溫超壓運(yùn)行?？傊?，通過本次水加熱器泄漏原因的分析及處理，我們對列管式換熱器的運(yùn)行維護(hù)要點(diǎn)加深了理解，在類似換熱設(shè)備的長周期運(yùn)行方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，希望能為業(yè)內(nèi)類似設(shè)備問題的判斷及處理提供一點(diǎn)參考與借鑒。