盧荔民

(海洋石油富島有限公司,海南 東方 572600)

制氫裝置中轉(zhuǎn)化設(shè)備及連接管線內(nèi)部操作溫度通常都在700℃以上，采用外壁金屬材料+內(nèi)部雙層隔熱耐火澆筑料的結(jié)構(gòu)運用較為廣泛。裝置運行多年后，在工藝介質(zhì)的沖蝕和理化作用下，隔熱耐火澆筑料(以下簡稱“澆筑料”)的強度會逐步降低，出現(xiàn)粉化脫落現(xiàn)象(詳見圖1)，如不及時更換澆筑料會出現(xiàn)金屬外壁超溫、變形、法蘭泄漏等嚴重風險(詳見圖2)，影響到裝置的安全穩(wěn)定運行。

圖1 雙層澆筑料運行多年后粉化脫落

圖2 一段爐下集氣管三通處殼體超溫鼓包

1 故障高發(fā)區(qū)域及原因分析

圖3 原始三通內(nèi)部澆筑料結(jié)構(gòu)

在初始設(shè)備澆筑料設(shè)計中，三通、直角彎頭、二段爐燒嘴出口周邊氣體流速較高部位，澆筑料長期受到工藝氣沖刷(詳見圖3)，澆筑料的使用壽命降低，易出現(xiàn)粉化脫落；而法蘭接口澆筑料采用平面密封設(shè)計的部位，高溫氣體介質(zhì)很容易竄到密封墊片處，經(jīng)過裝置的多次開停車溫度起伏變化，密封面也容易出現(xiàn)超溫和法蘭泄漏；另外，考慮到現(xiàn)場管道或設(shè)備安裝最后一道焊縫先探傷后澆筑的要求，特別是在水平布置的接口(詳見圖4)，由于澆筑料施工有向低處流動特點，現(xiàn)場澆筑到頂部的收口部位容易出現(xiàn)空洞，該區(qū)域也是超溫的高發(fā)地。

圖4 設(shè)備和管道連接水平布置

出現(xiàn)超溫的原因主要包括：

(1)原始安裝或維修過程，澆筑施工質(zhì)量問題(如：澆筑排氣不充分，澆筑層內(nèi)有空洞；澆筑后養(yǎng)護時間過短；烘爐升、降溫過快和恒溫時間不夠等)。

(2)生產(chǎn)過程中，裝置開停車過程升、降溫度和壓力過快。

(3)工藝介質(zhì)對流速較快部位澆筑料的沖蝕。

(4)工藝介質(zhì)中如含有二氧化碳、氫、水蒸汽，以及金屬殼體中碳、鐵等元素，裝置經(jīng)過多年的運行，澆筑料中主要成份會發(fā)生組分變化，影響澆筑料的強度，這是由于化學(xué)元素的遷移、碳酸化等物理和化學(xué)作用造成的。

(5)澆筑料選型失誤，影響隔熱效果和使用壽命。選擇澆筑料要重點關(guān)注耐熱溫度范圍、導(dǎo)熱系數(shù)、Al2O3、SiO2含量、體積密度、線變化率、抗折強度等。特別是制氫裝置(即臨氫環(huán)境)應(yīng)正確選用含高鋁低鐵低硅型澆筑料。

2 澆筑結(jié)構(gòu)與施工技術(shù)優(yōu)化措施

澆筑料的施工是在金屬受壓元件所有焊接、無損檢測、熱處理合格后進行的。類似鑄鋼鑄鐵的澆筑原理，澆筑時必須充分排除澆筑料中的空氣(使用震動、搗打措施)，澆筑時最好將設(shè)備(或管道)垂直放置；如設(shè)備較大，也可以采用設(shè)備水平澆筑法，澆筑分兩步實施(先澆筑設(shè)備中下部，當澆筑到設(shè)備的中分面以上三分之二處，待澆注料固化后，將旋轉(zhuǎn)設(shè)備180度，將剩余沒澆筑的部分朝下再澆筑)。設(shè)備澆筑后必須烘爐后再安裝。

另外根據(jù)多年的成功實踐，總結(jié)以下施工改進措施：

(1)設(shè)有耐高溫抗沖刷的金屬襯里，且水平固定位置澆筑時，襯里接口要采用搭接自由膨脹結(jié)構(gòu)(詳見圖四)。主要施工順序：對接部位澆筑料錯縫成型制作、外壁金屬殼體焊縫的焊接、焊縫表面(PT或MT)和射線(RT)探傷、缺陷返修、焊縫熱處理(從殼體外用履帶式電加器加熱)、熱處理后的焊縫表面(PT或MT)、缺陷打磨處理、焊接錨固件、金屬殼體內(nèi)表面油脂及雜物清理、制模澆筑輕質(zhì)澆筑料到頂部大約剩周長250mm的位置、12h固化、拆模、再制模澆筑重質(zhì)澆筑料到頂部大約剩周長200mm的位置、12h固化、拆模、使用搗打方法完成頂部剩余澆筑料收口部分的工作、自然養(yǎng)護3天、從內(nèi)部采用履帶式電加熱器加熱烘爐(初步烘爐)、焊接雙層金屬搭接結(jié)構(gòu)、隨系統(tǒng)開車升溫過程的烘爐(正式烘爐)。

(2)大直徑法蘭，最好將法蘭面的澆筑料的平面密封結(jié)構(gòu)，改為凹凸密封結(jié)構(gòu)。凹凸槽要設(shè)置在澆筑料的重質(zhì)層上，上下結(jié)合面要放置25mm后的陶瓷纖維毯(詳見圖5)。

(3)三通處澆筑料內(nèi)側(cè)盡量采用耐高溫沖蝕的金屬襯里結(jié)構(gòu)，襯里一般3～7mm厚，材質(zhì)為英科鎳材料(詳見圖6)。鋼襯作用是防止工藝氣對澆筑料的沖蝕，鋼襯里的垂直筒要插入到水平筒內(nèi)，確保鋼襯里能夠自由膨脹。

圖5 二段爐人孔法蘭澆筑料的凹凸密封結(jié)構(gòu)

圖6 三通處增設(shè)耐高溫鋼襯里結(jié)構(gòu)

(4)設(shè)備和管道在水平固定位置，最好采用頂部設(shè)有澆筑排氣管的結(jié)構(gòu)(詳見圖7)。如沒有頂部澆筑排氣管時，在澆筑到頂部大約剩周長250mm后，可將該區(qū)域的澆筑料換成同類型的搗打型隔熱耐火料施工(詳見圖8)。

(5)局部更換隔澆筑料的烘爐最好采用兩步烘爐法。第一次烘爐是在澆筑養(yǎng)護完成后，用履帶式電加熱器以不大于15℃/h的速度加熱，分別在150,250,350℃三個階段進行恒溫，每階段恒溫不少于12h，然后自然緩慢冷卻；第二次烘爐是在生產(chǎn)裝置的開車升溫階段，以不大于50℃/h的速度加熱，通常分250,600℃二個階段進行恒溫(恒溫溫度和時間要根據(jù)各裝置氮氣和蒸汽升溫要求)，每階段恒溫不少于24h，以徹底清除澆筑料中的物理水和結(jié)晶水。

圖7 澆筑排氣管結(jié)構(gòu)

圖8 收口采用搗打料結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

通過對澆筑料施工方案的不斷完善優(yōu)化，保證了施工質(zhì)量，延長了澆筑料的使用壽命。實踐證明采用優(yōu)化的方案，維修后設(shè)備和管道運行時外壁溫度均能達到設(shè)計要求，經(jīng)過長時間運行和多次大修內(nèi)部檢查驗證，沒有再發(fā)現(xiàn)超溫、隔熱澆筑料提前粉化等現(xiàn)象，為裝置長周期安穩(wěn)運行提供了有效的保障。