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)特性見表1，工藝氣組分見表2，整體結(jié)構(gòu)圖見圖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熱管局部過熱開裂，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

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)該問題提出了合理意見，進(jìn)一步優(yōu)化了該合成回路蒸汽發(fā)生器，延長了其使用壽命，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。