李延娜，李勇

（1.蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

某化肥廠合成氨裝置原有2臺(tái)合成回路蒸汽發(fā)生器，在使用過(guò)程中多次發(fā)生管板與換熱管焊接接頭泄漏、換熱管腐蝕，導(dǎo)致整個(gè)合成氨裝置頻繁停車檢修，給該化肥廠造成很大損失。因此在更換合成回路蒸汽發(fā)生器時(shí)，對(duì)其主體材料進(jìn)行了重新選擇，同時(shí)對(duì)其管板與換熱管焊接結(jié)構(gòu)、布管方式進(jìn)行了優(yōu)化，取得了良好的效果。

1 設(shè)備概述

合成回路蒸汽發(fā)生器是合成氨裝置中的重要換熱器，作用是把合成塔出口的工藝氣冷卻并副產(chǎn)高壓蒸汽，由于其處于合成系統(tǒng)的前端，而且副產(chǎn)的高壓蒸汽又作為合成回路高壓蒸汽重要來(lái)源，所以其對(duì)于整個(gè)合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。該合成回路蒸汽發(fā)生器為DEU換熱器，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T150設(shè)計(jì)，主要技術(shù)特性見(jiàn)表1，工藝氣組分見(jiàn)表2，整體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

2 原因分析

該合成回路蒸汽發(fā)生器管箱筒體、管板材料為12Cr2Mo1Ⅳ，換熱管材料為12Cr2Mo1。換熱管采用30°布置，放射式排列，具體見(jiàn)圖2。管板與換熱管連接方式采用強(qiáng)度焊加貼脹，管頭部位先用INCONEL600堆焊管板，再進(jìn)行管板與換熱管的焊接，具體見(jiàn)圖3。

表1 合成回路蒸汽發(fā)生器技術(shù)特性

表2 合成回路蒸汽發(fā)生器工藝氣組分

圖1 合成回路蒸汽發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 換熱管布置圖

圖3 管板與換熱板連接結(jié)構(gòu)

該合成回路蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)存在以下缺陷：（1）管板與換熱管的連接先用INCONEL600堆焊管板，再進(jìn)行管板與換熱管的焊接，這種連接結(jié)構(gòu)不僅使管板與換熱管之間的焊接成為異種鋼焊接，而且使得焊縫完全暴露在高溫高壓的氫腐蝕環(huán)境中，失去了管板表面堆焊INCONEL600的意義。（2）存在間隙腐蝕。（3）換熱管管徑小，壁厚薄。（4）換熱管管間距較小，布置方式不合理。

由于該合成回路蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)存在上述缺陷，導(dǎo)致其在高溫工藝氣長(zhǎng)期沖刷的環(huán)境下，管板與換熱管焊接接頭處氫腐蝕嚴(yán)重。此外，在高溫環(huán)境中熱應(yīng)力也較大，使得腐蝕現(xiàn)象更加復(fù)雜，最終表現(xiàn)為管板與換熱管焊接接頭處泄漏、換熱管腐蝕等。

3 改進(jìn)后技術(shù)特點(diǎn)

從表1、表2可以看出，該合成回路蒸汽發(fā)生器管程與殼程壓力較高，且管程工藝氣中H2、NH3含量較高，因此在其選材時(shí)需要考慮強(qiáng)度、氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題。

相對(duì)于采用撓性薄管板的蒸汽發(fā)生器而言，該合成回路蒸汽發(fā)生器由于管程工藝氣與殼程水蒸汽溫差不是很大，入口工藝氣溫度也相對(duì)較低，因此采用厚管板、U型管式結(jié)構(gòu)。此外，由于管程入口工藝氣溫度高達(dá)437℃，所以U型管束采用輻射狀排列，換熱管入口布置在管板中心，出口布置在管板外邊緣。這樣，高溫氣體不直接與管箱接觸，保證了管箱不超溫，選材更加合理，節(jié)約成本。同時(shí)，保證了管板徑向應(yīng)力分布均勻，降低了管箱周邊的熱應(yīng)力，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

針對(duì)管板與換熱管焊接接頭泄漏的情況，采用如下連接方式：先進(jìn)行管板與換熱管的焊接，再對(duì)管板表面進(jìn)行INCONEL600堆焊，具體見(jiàn)圖4，這種連接結(jié)構(gòu)有效保證了堆焊完成后管板與換熱管的焊縫區(qū)完全覆蓋在INCONEL600堆焊層下，避免應(yīng)力集中同時(shí)又使管板與換熱管的焊縫區(qū)免受高溫氫腐蝕危害。此外，高溫入口側(cè)增加了INCONEL600保護(hù)套管，避免高溫工藝氣直接沖刷管頭部位，降低管頭部位發(fā)生高溫氫腐蝕的可能，保證該合成回路蒸汽發(fā)生器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 改進(jìn)后管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)

原合成回路蒸汽發(fā)生器換熱管的規(guī)格為φ25×2.5，換熱管間距為32mm，經(jīng)過(guò)重新核算，換熱管熱流密度較大，同時(shí)換熱管管壁也較薄，導(dǎo)致?lián)Q熱管局部過(guò)熱開(kāi)裂，腐蝕嚴(yán)重。此外，考慮到該合成回路蒸汽發(fā)生器管束為不可拆卸結(jié)構(gòu)，且換熱管長(zhǎng)期受管程合成氣高溫氧化和殼程水汽氧化的共同腐蝕，壽命較短。所以為了保證該合成回路蒸汽發(fā)生器整體使用壽命，將其換熱管的規(guī)格更換為φ32×4，同時(shí)增大換熱管間距，這樣有效降低了換熱管中工藝氣的流速和熱流密度，保證了換熱管表面膜態(tài)沸騰的形成，達(dá)到保護(hù)換熱管的效果。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的合成回路蒸汽發(fā)生器于2014年投用至今，使用效果非常好，任何部位都沒(méi)有因管板與換熱管焊接接頭泄漏及換熱管腐蝕而影響正常運(yùn)行。后期又有類似蒸汽發(fā)生器采用同樣結(jié)構(gòu)，運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)語(yǔ)

合成回路蒸汽發(fā)生器是合成氨裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到整個(gè)合成氨裝置安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。本文對(duì)合成氨裝置中的合成回路蒸汽發(fā)生器管板與換熱管焊接接頭泄漏及換熱管腐蝕原因做了詳細(xì)闡述，同時(shí)針對(duì)該問(wèn)題提出了合理意見(jiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了該合成回路蒸汽發(fā)生器，延長(zhǎng)了其使用壽命，達(dá)到了預(yù)期效果。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)值得部分設(shè)計(jì)及制造單位參考，為類似蒸汽發(fā)生器提供借鑒。