经验总结|卡萨利氨合成塔废热锅炉故障处理
在合成系统氨合成工段，来自双甲精制的新鲜气，进入合成气压缩机高压缸加压后，经循环段压缩至14.2MPa，温度74.3℃,然后进入气气换热器的壳程,在此被来自锅炉给水预热器的热气体加热到208℃,进入合成塔反应生成合成氨。从合成塔出来的气体，氨含量约为18.04%(V),温度约为426℃,该气体首先进入合成塔废热锅炉被冷却到270℃,然后进入锅炉给水预热器管程,当被冷却到234.5℃,并同时副产部分中压蒸汽，出锅炉给水预热器的气体先后进入热气气换热器、水冷器等换热设备，最终被冷却至–10℃成为产品氨。其工艺流程方框图见图1，废热锅炉设备主要技术参数见表1。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图1工艺流程方框图
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）表1废热锅炉主要技术参数氨合成塔及废热锅炉是合成氨生产的关键设备之一，制造厂采用的是瑞士卡萨利公司的三触 媒床两换热器轴径向合成塔内件，合成塔废热锅炉为固定管板釜式U形管换热器，设计采用偏心管板、合金短管、连接管、管板堆焊耐热层以及内孔焊等技术，技术标准采用ASME Ⅷ、AD 2000及TEMA Ｒ。由于合成塔气体出口温度为420℃，压力约14.7MPa，且H2含量较高（51.20%），工况特殊，因此在设备选材上需要综合考虑热强度、耐氢腐蚀以及回火脆化等问题。同时由于冷热介质接触，其温差较大（200℃左右），所以要求换热管与管板的焊接质量必须稳定可靠，其设备结构简图见图2。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图2设备结构简图存在主要问题2017年4月在对合成废热锅炉蒸汽冷凝液的例行取样检测过程中，检测出了氨离子含量，其浓度从最初的50mg/L,逐步扩大到1200mg/L。初步判断是由于废热锅炉泄漏造成，对生产造成了极大影响，同时蒸汽系统也存着超压的隐患。系统停车隔离后，经检查发现确实是废热锅炉换热管泄漏，因其结构的特殊性，为进一步判 断其泄漏位置及原因：采用工业内窥镜（型号：VIS 2000 PRO美国）对换热管内部进行了检查，结果如图3~6。
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编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图3部分泄漏管道：怀疑泄漏位置从管板处向内0.4m左右图4部分泄漏管道：怀疑泄漏位置从管板处向内0.5m左右，连续腐蚀小坑
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编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图5部分泄漏管道：泄漏位置从管板处向内0.4m，明显孔洞图6未泄漏的管道：对未发生泄露的管道进行检测，从管板处向内0.6m处有点蚀通过使用工业内窥镜对118根换热管逐根进行检查，疑似有腐蚀及泄漏的管道共计12根，如图7。疑似腐蚀及泄漏位置多为管板最下侧（内外）3排管道，泄漏位置多数为从管板处向内0.5m左右，通过内窥镜检查，基本排除了内孔焊焊接质量及管板受热变形、开裂的因素。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图7工业内窥镜对换热器的检查显示泄漏处采用涡流检测（型号：EEC-39爱德森电子）对所有换热管道内部进行了检测，结果如下：1.内圈(工艺气进口侧)列管（1）探伤结果①列管探伤未发现有明显的可记录缺陷信号。②靠下部的少部分列管（主要是最下面三排）局部涡流探伤抖动较大，对应部位涡流测厚有 明显的腐蚀减薄信号。（2）测厚结果①列管壁厚分布范围比较分散，实际测得壁厚范围在1.90~2.70mm。②部分列管均存在程度不一的腐蚀减薄，腐蚀减薄明显的位置一般靠近管板的前半部。（3）壁厚统计见表2
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）2.外圈（工艺气出口侧）列管（1）探伤结果①列管涡流探伤发现靠下部的列管探伤信号幅值、相位明显异常、杂乱，有异常杂乱信号的 位置主要在位于靠近管板的前两块隔板内（距管口约3m的范围内），也有少数异常信号位置在管子的后部、甚至分布整根直管段；在对应位置涡流测厚都发现有明显的、严重程度不一的异常腐蚀减薄信号。②有异常信号的管道共计24根。（2）测厚结果：①列管壁厚分布范围很分散，实际测得壁厚范围在1.30~2.65mm。②部分列管（主要在靠管板下部、堵管周围）发现有明显的异常腐蚀减薄信号，腐蚀减薄程 度不一，有异常腐蚀减薄信号的位置主要在位于近管板的前两块隔板（距管口约3m的范围内），与涡流探伤结果相对应。（3）壁厚统计如表3
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）结合两种检测结果，判定工艺气出口侧管道腐蚀较为严重，决定对打压有漏点及测厚壁厚较 薄的列管进行堵管处理。原因分析及解决方案为了满足该设备苛刻工况的要求，在设备结构上采用了偏心管板，管板前段设置一块板及法兰，板固定在法兰上，中间有密封垫，板及法兰上有开孔，开孔的布置与管板上进气侧换热管布置相同，法兰与管板中间由INCONEL600合金短管焊接。板、法兰、管板以及换热管中间由475mm长INCONEL600合金连接管连接，连接管前段焊接在板上，后端约350mm长缠绕1.5mm厚陶瓷纸，连接管末端插入换热管内。换热管与管板采用内孔焊技术，该设备管板壳侧面内侧加工有管台，U形管管头与管台相对接，从孔内实现管子和管台的焊接，另外，由于进气端温度较高，为保护管板，在管板进气侧堆焊9mm厚INCONEL 600合金，同时，在堆焊层处加工凹槽，合金短管与凹槽相对接，也采用内孔焊结构(见图8)。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图8进气侧设备结构图由于合成塔出口气体温度约420℃，易使管板部件产生热应力变形，该设备U形管采用同心圆排列，热端位于管板中心部分，冷端配置在管板的外缘，整个管子呈辐射状的排列，同时设置内联箱，高温气体通过管板中心部位的内联箱进入U形管，换热后再从外侧换热管出来返回废锅管侧集箱(见图9)，从而保证了管板径向应力均匀分布，同时也降低了管箱周边的热应力。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图9换热管分布图在材质选用上，壳程筒体材料选用SA-516，70级，壳程接管材料选用SA-350 LF2级Ⅰ类，管箱、封头、接管以及管板锻件材料选用12CrMo9-10，换热管材料选用10CrMo9-10。设备主要受热承压部件选用的材料均是欧标10028《压力容器用钢——第二部分规定高温性能的非合金和合金钢》中材料，该材料具有优良的抗氢腐蚀和耐高温氧化能力。主体材料的化学成分见表4，机械性能见表5。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）表4主体材料化学成分
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）表5主体材料机械性能原因判断废热锅炉的给水由锅炉给水预热器提供，锅炉给水预热器顶部在设计时安装有爆破片，前期 因爆破片破裂，导致废热锅炉液位在短时间内骤降，然而未引起操作人员的重视，没有及时停车进行冷却降温；后期更换爆破片后，补水速度过快，可能造成换热管冷热温差变化较大，材料特性发生变化（因设备目前仍在运行，故暂时无法检测换热管材质特性变化）；同时由于废锅水侧无加药装置长期运行，在设备内部集聚了腐蚀性物质。综合以上原因导致了换热管的腐蚀，以上分析也可说明为何工艺气出口侧（外侧下部）换热管损坏较多的原因。堵漏解决方案1.因设备结构的特殊性，由卡萨利厂家提供了专业的堵漏方案，具体步骤如下（见图10，图 11）
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图10进气口侧管道堵漏图
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图11出气侧管道堵漏图（1）将475mm长INCONEL600合金连接管与板的焊接部分用角磨机磨开，在连接管上焊接一个内螺纹接头，将倒锤与连接管固定，最后用倒锤将连接管取出；（2）加工专用堵头（见图12），长度为360mm，材质为INCONEL600合金，插入原连接管位置处；
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图12堵头尺寸图（3）堵头在管板处采用胀接形式，胀管长度80mm，胀管厚度3.55mm，堵头前段穿过板，与法兰孔内金属短管内壁焊接；（4）出口侧换热管道，同样加工堵头（见图12），长度为280mm，材质为INCONEL600合金，堵头末端与管板胀接，胀管长度80mm，胀管厚度3.55mm，前段与管板堆焊层焊接。
编辑搜图请点击输入图片描述（最多18字）图12堵头尺寸图（5）在堵头的密封焊缝上做着色检查。2.需注意的焊接工艺采用手工氩弧焊，焊丝型号，ERNiCr-3；焊接的起弧和收弧一定要在堵头上；由于板的影响，焊接前可将板上孔的尺寸适当扩大，以保证焊接质量；胀管器型号：P3Z-T,电动胀管器，胀力1.8MPa。3.检验检测堵漏结束后，采用了两种检测方法，进行设备查漏。（1）壳侧水压试验，按照出厂时水压试验的压力，壳侧水压打压至4.5MPa,检查管道是否有泄漏，保压30min，检查是否有压降。（2）壳侧氨渗漏试验，壳侧先充氮气，至分析氧气含量≤0.5%；引氨气15%(V)进入设备壳侧，当压力达到0.1MPa后，氮气充压至壳侧压力达到0.6MPa，将喷有酚酞溶液的试纸贴敷在管板上并保证覆盖全部列管口，壳侧保压4h（氨浓度过低可延长保压时间或提高氨浓度缩短保压时间），检测试纸是否有红色斑点出现并进行准确标记；当压力泄完后，用氮气对壳侧进行置换，分析壳侧氨含量≤30ppm后置换合格。检修结束后，注意缓慢提温及升压，开车后经检测，漏点已全部消除，因减薄及管道较多， 后期运行中，要控制负荷及压力，同时重新制作一台新设备。总结由于氨合成塔及废热锅炉在合成氨企业中属于关键核心设备对生产影响较大，因此熟悉和掌握该设备的工艺流程及结构特点尤为关键。该设备采用了多项先进技术，部分技术在国内 GB150—2011《压力容器》中尚未收录，但在实际运行中效果良好，保证了设备运行的安全性、稳定性，值得国内的设计和制造单位认真研究和消化吸收，以提高我国合成废热锅炉的设计和制造水平。