徐紅梅 曹 莉

作者通聯(lián)：山西焦化股份有限公司甲醇廠 山西洪洞廣勝寺 041606

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一、前言

預熱爐是甲醇裝置的主要設備，是利用燃燒氣的燃燒熱將爐管內的鍋爐水、氧氣+蒸汽、焦爐氣+蒸汽進行加熱的設備，爐管由三段盤管組成，其中上段盤管將鍋爐給水的溫度由100℃加熱到120℃，中段盤管將氧氣+蒸汽由230℃加熱到400℃，下部盤管將焦爐氣+蒸汽由500℃加熱到660℃，而后進入轉化爐進行甲烷轉化。預熱爐焦爐氣聯(lián)箱是由10根爐管加熱的焦爐氣+蒸汽的入、出口匯集的設備。運行中輻射段出口聯(lián)箱發(fā)生泄漏，經(jīng)過綜合分析，對聯(lián)箱進行改進。

二、改進前運行情況

預熱爐安裝試壓時，就出現(xiàn)輻射段盤管第三根出口管與出口聯(lián)箱相連處泄漏現(xiàn)象，出口聯(lián)箱上部表面產(chǎn)生裂紋，進行了補焊修復。2008年輻射段盤管出口聯(lián)箱法蘭又發(fā)生泄漏，停車換墊并更換連接螺栓。

2009年預熱爐輻射段盤管與出口聯(lián)箱焊縫處再次泄漏并著火，預熱爐輻射段盤管出口共有10根Φ89mm×7mm的管與Φ457mm×20mm的出口聯(lián)箱相連。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)從下部往上共有6根管與出口聯(lián)箱相連的角焊縫有不同程度的裂紋，其中最長的有140mm，短的有50mm。

三、出口聯(lián)箱泄漏原因分析

1.原設計及制造存在缺陷

（1）預熱爐安裝試壓期間出現(xiàn)輻射段盤管第三根出口管與出口聯(lián)箱相連處發(fā)生泄漏，出口聯(lián)箱上部表面產(chǎn)生裂紋，進行了補焊修復；經(jīng)對原設計圖進行查看，發(fā)現(xiàn)預熱爐輻射段盤管出口引出管與出口聯(lián)箱的焊接結構原始設計不完善（沒有角焊縫的焊接詳圖），施工單位在現(xiàn)場制作時也未按相關焊接規(guī)范進行焊接，焊接工藝存在不完善，不到位現(xiàn)象。

（2）在第二次泄漏后的檢修過程中，發(fā)現(xiàn)原引出管與出口聯(lián)箱的角焊縫存在焊角高度不夠且未焊透、聯(lián)箱與引出管熔合不好等缺陷。出口聯(lián)箱在修復坡口打磨過程中，發(fā)現(xiàn)母材本身存在環(huán)狀夾層及蜂窩狀氣孔缺陷。

（3）出入口聯(lián)箱的材料及厚度經(jīng)過校核計算不能滿足工藝條件。計算依據(jù)壓力管道規(guī)范GB/T 20801.3-2006第3部分中的第26頁。

（4）預熱爐出口聯(lián)箱強度計算。預熱爐出口聯(lián)箱設計參數(shù)。管道出廠標準選定為GB/T 4237—2007，外徑457mm，壁厚20mm，材料 310S（0Cr25Ni20Ⅱ），管道設計溫度 660℃，設計壓力2.33MPa。（具體計算過程略）。厚度t應是管道的實際厚度減去管道的負偏差（C1）再減去管道的腐蝕裕量（C2）。依據(jù)GB/T 14976—2002標準中外徑和壁厚的允許偏差一覽表，取C1為實際厚度的5%，依據(jù)華東理工大學出版的化工設備機械基礎中表14-6腐蝕裕量一覽表，由于該管道為不銹鋼材料且為單面腐蝕，選C2=0，t=管道實際厚度-C1-C2=19mm。根據(jù) GB/T 20801.3-2006標準中第26頁，選用直管的內壓設計計算公式（1）。

式中D—管外徑，mm

p—設計壓力，MPa

Φ—焊件縱向焊接接頭系數(shù)，按GB/T 20801.2-2006表A.3，A.4查表

S—設計溫度下管道組成件金屬材料的許用應力，MPa

Y—計算系數(shù)，當t＜D/6按第26頁表16查取

在不同溫度和壓力下直管段材料應力的計算（計算過程略）。660℃時310S（0Cr25Ni20Ⅱ）的許用應力為14.6MPa。當管段在660℃、壓力2.33MPa時，Y值采用內差法算得Y=0.7，所需許用應力S=26.39MPa＞14.6MPa (同一溫度下的實際許用應力)，因此在660℃、2.33MPa工況下，聯(lián)箱不能滿足使用要求。

政治經(jīng)濟學批判視域中法與市場經(jīng)濟內生關系的生成——兼論社會主義市場經(jīng)濟的法治向度 …………………………………………………… 王 程（3．61）

將材料改為316（0Cr17Ni12Mo2），壁厚改為25mm，設計條件不變的情況下，660℃時316（0Cr17Ni12Mo2）的許用應力為46.2MPa。S=26.39MPa＜46.2MPa，因此在 660℃、2.33MPa 工況下，材料為316（0Cr17Ni12Mo2），壁厚為25mm的聯(lián)箱能夠滿足使用要求。

3.盤管與聯(lián)箱連接強度不夠

泄漏部位均在盤管與出口聯(lián)箱的角焊縫處，可以判定盤管與聯(lián)箱連接強度不夠。

4.預熱爐出口聯(lián)箱熱應力限位存在缺陷

泄漏部位均在角焊縫下部，出口聯(lián)箱熱膨脹下移對角焊縫產(chǎn)生拉力作用，而焦爐氣管線的彈簧支撐和熱膨脹及應力補償存在缺陷，導致熱應力不能被有效吸收和補償。

四、改進的必要性

（1）出口聯(lián)箱在安裝試壓時第三根管就因泄漏進行過修復，2009年11月焊縫修復已是第二次，根據(jù)壓力容器、壓力管道相關規(guī)范要求，焊縫修補不能超過三次，因此該聯(lián)箱以后出現(xiàn)類似情況已不能再進行修復。

（2）2009年11月修復工作是冬季施工，作業(yè)環(huán)境對施焊極其不利，致使焊縫焊接時存在氣孔或裂紋進行了多次打磨返修；且因受到修復條件限制，修復工作存在諸多不規(guī)范的作業(yè)等，都對出口聯(lián)箱的安全使用壽命造成一定影響。

（3）出口聯(lián)箱在坡口打磨過程中的母材本身存在缺陷（環(huán)狀夾層及蜂窩狀氣孔），雖然修復后現(xiàn)階段開車沒有問題，但不能保證長期安全穩(wěn)定運行。

結合以上幾方面的原因，考慮到甲醇裝置的長周期安全穩(wěn)定運行，若要徹底解決聯(lián)箱存在的設計、制造等方面的缺陷，必須對聯(lián)箱進行改進。

五、改進措施

（1）針對聯(lián)箱與出口盤管的連接強度較弱，制定改進方案。考慮到聯(lián)箱的法蘭在出口聯(lián)箱檢修隔離、管道置換、焊縫質量保證的重要性，決定不改變聯(lián)箱與上部焦爐氣管線的法蘭連接形式。

采用聯(lián)箱管接頭補強的方式，預先將加強管與聯(lián)箱焊接好，盤管與出口聯(lián)箱的加強管采用對接焊型式，此道焊縫在現(xiàn)場進行焊接。此方案需嚴格按照焊接規(guī)范進行焊接工藝的編制和實施，保證角焊縫的質量。

（2）入口聯(lián)箱改進。為確保預熱爐安全運行，對入口聯(lián)箱也采用上述方法進行改進，以免類似泄漏發(fā)生。

（3）聯(lián)箱材料及厚度改變。出口聯(lián)箱材料由310S（0Cr25Ni20Ⅱ）改為316（0Cr17Ni12Mo2）；規(guī)格由Φ457mm×20mm改為Φ457mm×25mm。

（4）預熱爐出口聯(lián)箱熱應力限位改為硬限位。從預熱爐盤管與焦爐氣管線的熱膨脹方向考慮，出口聯(lián)箱底部必須加硬約束（必須從地面打基礎進行支撐）。以防出口聯(lián)箱管線熱膨脹下移，對引出管產(chǎn)生向下的拉力。

（5）管道熱膨脹及彈簧支撐校核。對預熱爐到轉化爐之間的熱力管線的彈簧支撐重新進行應力校核，根據(jù)系統(tǒng)負荷對出口管熱膨脹重新進行計算，現(xiàn)場監(jiān)測熱膨脹量，避免支撐對管道熱膨脹造成應力約束。對預熱爐至轉化爐的氧氣管線、焦爐氣管線彈簧支撐位置進行測繪，交由設計院進行校核，對不合理的支撐位置重新布置。

六、改進后效果

2010年6月對輻射段盤管出口聯(lián)箱進行了更換，2011年5月對輻射段入口聯(lián)箱進行了更換，對不合理的支撐位置重新進行布置，到目前為止，該設備運行穩(wěn)定，未再產(chǎn)生泄漏。