關(guān)于甲醇合成塔內(nèi)漏問題的探討

關(guān)鍵詞：參數(shù)，缺陷檢測，裂紋，應(yīng)力，原因，處理，措施

1引言

    對于化工生產(chǎn)企業(yè)來說，其關(guān)鍵設(shè)備運行的穩(wěn)定性、可靠性及高效性是企業(yè)生存的關(guān)鍵。甲醇生產(chǎn)裝置中，甲醇合成塔作為該裝置的核心關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，將影響整個系統(tǒng)的運行，并且該設(shè)備加工制造難度大，周期長，價格昂貴。某甲醇裝置甲醇合成塔為三臺并聯(lián)合成塔，其中一臺于2000年6月份投用，該合成氣反應(yīng)器是管殼式的，銅基催化劑裝在管程中，合成氣在管程中與銅基催化劑接觸，發(fā)生反應(yīng)后生成甲醇。殼程為鍋爐水，用于移走管程內(nèi)的反應(yīng)熱，同時副產(chǎn)蒸汽。該塔在使用過程中從汽包不凝氣在線監(jiān)控中取樣發(fā)現(xiàn)有CO氣體，多次取樣分析判斷該塔發(fā)生內(nèi)漏。該塔在檢修中發(fā)現(xiàn)管板角焊縫及基層存在多處裂紋缺陷，列管渦流檢測發(fā)現(xiàn)12根列管存在不同程度的外壁缺陷。

2甲醇合成塔參數(shù)及情況介紹

見表1。

    甲醇合成塔列管材質(zhì)為SAF2205雙相不銹鋼，共有列管2292根；列管長度7m，列管規(guī)格Ф44×2mm。管板基層厚度70mm，材質(zhì)為20MnMoNi55，過渡層E309L焊絲堆焊2mm，面層E308MoL堆焊5mm。

3缺陷檢測情況

    在合成塔發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)漏現(xiàn)象后，組織進行催化劑扒卸查漏。合成塔殼程水壓試驗至2.8MPa時發(fā)現(xiàn)上管板有兩處泄漏點，其中一處為列管角焊縫裂紋，一處為管板堆焊層砂眼。對于管殼式設(shè)備的管板、管板角焊縫及列管采用的無損檢測手段有表面檢測、磁粉、射線、渦流檢測等手段，鑒于本合成塔結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的特殊性，為更加全面的發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，首先對管板進行100%PT檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)1處裂紋，12處疑似氣孔（微缺陷可不做處理）。對于列管采用渦流檢測結(jié)合內(nèi)窺鏡表面檢測的手段進行檢測，檢測結(jié)果見表2及圖1。

    對于水壓試驗發(fā)現(xiàn)泄漏的兩處缺陷及PT檢測發(fā)現(xiàn)的一處裂紋缺陷，用手動砂輪打磨后發(fā)現(xiàn)兩處管板裂紋為列管角焊縫開裂，打磨至3mm深度左右，裂紋消失。而管板砂眼經(jīng)表面打磨后發(fā)現(xiàn)埋藏多處裂紋，表面堆焊層7mm打磨掉之后發(fā)現(xiàn)在管板基層仍存在大量的裂紋缺陷。

4原因分析

    對于上述的缺陷情況結(jié)合設(shè)備的使用狀態(tài)進行綜合的評價分析，導致合成塔出現(xiàn)多處缺陷的原因有以下幾點。

（1）長期運行造成的疲勞開裂。疲勞開裂通常發(fā)生在幾何形狀不連續(xù)處等易發(fā)生應(yīng)力集中的位置。這臺合成塔已經(jīng)連續(xù)使用近20年時間，管板角焊縫長期受到壓力波動、溫度變換、沸騰鍋爐水沖擊等外載荷的反復(fù)作用，尤其是因生產(chǎn)波動及裝置檢修，期間發(fā)生開停車次數(shù)達數(shù)十次，溫度、壓力在裝置啟停期間都會發(fā)生大幅度的變化，再加上管板角焊縫處于應(yīng)力集中比較嚴重的位置，因而容易造成疲勞開裂。這也是造成合成塔發(fā)生管板角焊縫裂紋的原因之一。

（2）溫差應(yīng)力作用。甲醇合成塔催化劑裝填時為了最大可能的提高反應(yīng)效率實現(xiàn)產(chǎn)能最大化及消耗降低，一般在高出上管板一定高度處也裝填上催化劑，用來抵消加在新催化劑升溫還原后體積的縮小造成列管內(nèi)催化劑的空缺。但是因裝填不均勻或者升溫還原過程體積變化存在差異性，造成管板上列管之間催化劑分布不均勻，在生產(chǎn)過程中催化劑與合成氣反應(yīng)釋放出大量的熱量，管板上留存的部分催化劑反應(yīng)熱不能及時帶走，造成局部高溫區(qū)，因溫度差異在管板及列管之間產(chǎn)生不同的溫度層，因此帶來了較大的溫差應(yīng)力。這種存在的溫差應(yīng)力，為管板角焊縫裂紋的形成奠定了基礎(chǔ)。

（3）基層高強度鋼的氫脆傾向。產(chǎn)生氫蝕的條件主要是氫分壓、溫度、作用時間和鋼的化學成分。根據(jù)著名的Nelson曲線及實際數(shù)據(jù)表明，對于碳鋼而言，只有氫分壓在1MPa以下，或溫度低于200℃時，才不會發(fā)生氫腐蝕。管板基層材質(zhì)為20MnMoNi55高強度耐熱鋼，材料的塑形與韌性下降，脆性上升，具備極強的氫脆傾向。甲醇合成塔介質(zhì)中絕大部分為氫氣，在長期高氫分壓及高溫反應(yīng)的環(huán)境中，對設(shè)備材料發(fā)生氫腐蝕形成了較大的危險因素。

（4）管板結(jié)構(gòu)。該設(shè)備管板直徑2800mm，厚度為77mm，在生產(chǎn)過程中，管板兩面受熱不均，產(chǎn)生一定的溫度差，且隨著厚度的增大這種溫度差異越大，產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。此外，該甲醇合成塔為固定管板式，筒體材質(zhì)為20MnMoNi55，列管材質(zhì)為SAF2205，兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在不同的工況下因熱脹冷縮造成的應(yīng)力危害極大。以上產(chǎn)生的因溫度變化造成的應(yīng)力也是管束角焊縫發(fā)生裂紋的原因之一。

（5）設(shè)備本體結(jié)構(gòu)。甲醇合成塔換熱管規(guī)格為Ф44×2mm，結(jié)構(gòu)為固定管板式，共設(shè)置3層支承板，板間距分別為1770mm、1720mm、1720mm。渦流檢測結(jié)果顯示列管外壁缺陷，其中50%以上的缺陷位置都是在支承板附近。因此，列管在長期運行過程因振動造成與支承板之間的摩擦，列管外壁發(fā)生了局部磨損減薄，在長期作用下，給設(shè)備使用帶來極大的安全風險。

5缺陷處理及預(yù)防措施

    根據(jù)各種檢測手段發(fā)現(xiàn)的合成塔缺陷，為保證合成塔能夠繼續(xù)安全運行，對存在的缺陷按照以下方案進行返修處理。

（1）裂紋缺陷處理。第一步，先通過PT檢測確定裂紋缺陷位置及范圍；第二步，先用手電鉆在裂紋兩端鉆止裂孔后用手動砂輪機打磨裂紋，并PT檢測確認裂紋完全消除；第三步，用石棉毯將換熱管封堵，進行焊前預(yù)熱，保證預(yù)熱溫度大于150℃，手工氬弧焊補焊并進行消氫處理。

（2）列管減薄缺陷。第一步，確定減薄列管，進行焊前清理，采用不銹鋼專用砂輪片打磨管口周圍20mm內(nèi)的污物，露出金屬光澤；第二步，上下管口采用直磨清理列管內(nèi)壁，露出金屬光澤；第三步，用鉆頭在需要封堵列管內(nèi)壁鉆Ф8mm的小孔，使運行過程中列管內(nèi)與殼程相同，實現(xiàn)封堵列管在后續(xù)運行中不承受壓力同時保證內(nèi)外溫度平衡；第四步，管子兩端插入堵銷，手工氬弧焊焊接角焊縫，控制層間溫度不得大于150℃。

    所有缺陷處理完畢后進行100%PT檢測，并進行水壓試驗，確保處理合格。

    從甲醇合成塔的使用及檢修過程，通過對缺陷檢測及原因分析，在設(shè)備制造選型及使用維護上如何有效的避免出現(xiàn)各種缺陷，建議從以下幾點著手。

（1）從設(shè)備的選材方面考慮，在材料的安全使用界限內(nèi)選擇抗氫腐蝕性能好的材料。從Nelson曲線可以看出鋼中鉻、鉬、釩等元素的含量越高，其抗高溫氫腐蝕的性能越好。因為這些元素是碳的穩(wěn)定劑，在鋼中添加這些元素可以與碳元素形成穩(wěn)定的合金碳化物，從而減小鋼的甲烷化傾向。同時，嚴格避免鋼中含有分散的非金屬雜質(zhì)，氫或甲烷容易在這些位置發(fā)生聚集，從而造成金屬的脆性斷裂。此外，鋼的熱處理狀態(tài)也對抗高溫氫腐蝕有很大的影響。在設(shè)備制造過程中，鋼板的正火及焊后熱處理的質(zhì)量也是影響設(shè)備發(fā)生氫致裂紋的重要因素。

（2）該合成塔管束與管板的連接形式采用強度焊+貼漲，這種結(jié)構(gòu)使列管角焊縫處于高溫區(qū)，容易受到熱沖擊而產(chǎn)生裂紋。建議采用深孔焊，這種結(jié)構(gòu)將焊縫埋藏與低溫區(qū)，減少熱沖擊的影響。

（3）合理的工況運行控制。在使用過程中保持運行穩(wěn)定，避免氣量、溫度、壓力出現(xiàn)大幅度波動，減少殼程、管程壓差。在裝置啟停過程中嚴格控制設(shè)備內(nèi)溫度的升降溫速率，避免出現(xiàn)溫度變化過快造成的溫差應(yīng)力。

（4）采用更為先進合理的新型甲醇合成塔結(jié)構(gòu)技術(shù)。目前選用的甲醇合成塔主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。第一種低壓甲醇合成塔采用列管式合成塔，列管內(nèi)裝填催化劑，管間為沸騰水，反應(yīng)熱經(jīng)管壁傳給沸騰水產(chǎn)生蒸汽。合成塔全系統(tǒng)的溫度條件用蒸汽壓力控制，從而保證催化劑層呈大致等溫的曲線，這種合成塔結(jié)構(gòu)在溫度控制上不可避免的存在誤讀差異，從而造成溫差應(yīng)力影響合成塔的使用性能。第二種等溫甲醇合成塔采用盤管內(nèi)沸騰水冷卻的單段等溫塔。在塔內(nèi)，螺旋蛇管放置在催化劑層中，從蛇管下部加入鍋爐水，上部排出中壓蒸汽和循環(huán)水。通過水循環(huán)系統(tǒng)保證系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)合成反應(yīng)效率，也能通過等溫控制有效減少合成塔局部位置帶來的溫差應(yīng)力。

6結(jié)束語

    甲醇合成塔作為核心設(shè)備其運行安全穩(wěn)定的重要性顯而易見，甲醇生產(chǎn)裝置一方面要選用合理的工藝路線，先進的設(shè)備制造工藝及結(jié)構(gòu)選型；另一方面要做好生產(chǎn)過程中設(shè)備的指標控制、優(yōu)化，確保設(shè)備處于良好穩(wěn)定的工作狀態(tài)；此外作為生產(chǎn)部門在設(shè)備管理上對關(guān)鍵設(shè)備實施特殊保護，通過各種手段最大程度的實現(xiàn)設(shè)備裝置的安全穩(wěn)定、長周期運行。

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