郭亮(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 引言

轉化氣蒸汽發(fā)生器是制氫裝置的核心設備，其運行狀況直接影響到裝置及下游裝置的正常運行[1]，一旦發(fā)生內(nèi)漏故障修復很困難，只能更換新設備。近幾年，在我國煉油行業(yè)同類裝置生產(chǎn)運行過程中，出現(xiàn)多個制氫裝置該換熱器管束腐蝕泄露的問題，相關資料屢見報端[2-5]，成為困擾制氫裝置長周期“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的重要瓶頸。因此E101內(nèi)漏方法的判斷、趨勢分析以及操作建議可供同行學習和借鑒。

60000Nm3/h制氫裝置轉化氣蒸汽發(fā)生器于2016 年5 月首次投用，至2019年12月共經(jīng)歷8次計劃性停工與2次異常停工。其中2018年12月全廠大檢修期間發(fā)現(xiàn)E101主要腐蝕部位在出口管板四周的小管，現(xiàn)象為角焊縫腐蝕減薄以及管束內(nèi)部坑蝕、減薄穿孔。2019年7月為配合蠟油停工消缺，制氫裝置維持40%超低負荷運行，7月25號負荷逐漸提高，至8月初轉化氣蒸汽發(fā)生器E101出口轉化氣溫度快速下降、E101出口溫控閥閥位逐漸上升、汽包上水量和產(chǎn)汽量差值逐漸變大、中變分液排水增多、中變反應器床層壓降逐漸增大等現(xiàn)象。從首次發(fā)現(xiàn)E101內(nèi)漏到新型換熱器到貨更換，一共帶病運行了17個月，期間共停工檢修兩次，共堵小管束189根，總堵管率為46.3%(E101共408根小管)。

1 蒸汽發(fā)生器結構與流程

1.1 轉化氣蒸汽發(fā)生器結構形式與工況參數(shù)

60000Nm3/h制氫裝置轉化氣蒸汽發(fā)生器0213-E-101為柔性固定管板式換熱器，型號為Φ2000/Φ1600/Φ1600×15150×42/40/38，換熱面積410m2，重量58.16t，由洛陽院設計，北京燕華制造，換熱器管板及管束采用低合金鋼15CrMoR，換熱管入口管板處襯有剛玉陶瓷管及隔熱襯里，殼程介質(zhì)為除氧水、水蒸氣，管程介質(zhì)為轉化氣。E101管程主要在315～780℃處于臨氫及甲烷、CO等高還原性氣體氣氛中。

1.2 工藝流程

制氫原料煉廠氣與液態(tài)烴經(jīng)過加氫后進行脫硫、脫氯反應，在配入3.5MPa蒸汽混合后進入轉化爐，進行強吸熱反應生成轉化氣進入轉化氣蒸汽發(fā)生器管程入口，在此與殼程的汽包水換熱降溫后進入中變反應器R104繼續(xù)反應。經(jīng)中溫變化反應后中變氣經(jīng)過后續(xù)的冷卻系統(tǒng)，將中變氣溫度降至25℃進入PSA裝置進行氫氣提純，具體流程見圖1。

圖1 轉化中變系統(tǒng)工藝流程圖

2 內(nèi)漏原因分析

轉化氣蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄露的原因主要是高設計余量以及長期50%的低負荷運行，造成換熱器小管束介質(zhì)流速偏低[6]。從2016年6月首次投產(chǎn)到2019年12月新?lián)Q熱器更換，六次計劃性停工以及兩次異常緊急停工，對制氫轉化氣蒸汽發(fā)生器管束造成巨大的破壞，因換熱管過長，產(chǎn)生的溫差應力大，無法很好的吸收管束和殼體產(chǎn)生的軸向伸長，容易使管板及管頭在停開工過程中產(chǎn)生裂紋。

2019年10月對E101管束冷端腐蝕產(chǎn)物進行XRF檢測分析(表1)得知：E101隔熱、耐磨材料機械強度有所下降，筒體部分保溫隨高溫氣流沖刷脫落，轉化爐爐管上部催化劑Z405-4中鉀堿抗積炭助劑有所流失，均在流速過低的小管束冷端積聚；其次，由于轉化氣蒸汽發(fā)生器處于滿足金屬塵化腐蝕三要素即“合金、轉化氣、482～816℃”環(huán)境中，造成管束15CrMoR材料的滲碳。當換熱器管板處角焊縫一旦出現(xiàn)輕微泄露，轉化氣蒸汽發(fā)生器殼程的高壓除氧水即進入換熱器管束里，其中攜帶的磷酸鹽、鈣鹽、鎂鹽、非飽和水蒸氣，與氣體中富集的氯與硫，造成管束口出沖刷腐蝕、垢下腐蝕、碳酸腐蝕、硫氯腐蝕等多種復雜的腐蝕環(huán)境，加速了換熱器管束減薄穿孔。

3 內(nèi)漏方法判斷與趨勢

3.1 水汽平衡數(shù)據(jù)監(jiān)控

制氫轉化氣蒸汽發(fā)生器E101若發(fā)生內(nèi)漏加劇，殼程3.9MPa、253℃的飽和水竄入2.8MPa、330℃管束的量將增多，造成上水量與產(chǎn)汽量的嚴重不平衡，因此水汽平衡可作為監(jiān)控制氫轉化氣蒸汽發(fā)生器內(nèi)漏的重要手段之一。2019年7～9月平衡數(shù)據(jù)如表2，當每小時泄露量達到5t/h時，泄露速度便將呈快速增長態(tài)勢，此時裝置應盡快著手準備停工消缺堵漏工作。

表1 管束出口垢樣XRF元素種類及含量

表2 水汽平衡數(shù)據(jù)監(jiān)控表

3.2 E101出口溫度與溫控閥閥位開度監(jiān)控

E101出口溫控閥TV10505一直處于自動狀態(tài)，當F101出口溫度波動或者內(nèi)漏加劇時，溫度低于TV10505設定值該溫控閥閥位將自動增大。在生產(chǎn)運行負荷穩(wěn)定、爐出口溫度保持恒定的工況下，如果TV10505閥位出現(xiàn)大幅度的上漲，則可以判斷E101內(nèi)漏加劇。

3.3 中變分水罐排液閥閥位開度以及外送凈化水數(shù)據(jù)監(jiān)控

當E101內(nèi)漏加劇時，大量飽和水竄入管束的量將增多，后路中變冷卻下來的水也會增多。當制氫配汽量恒定且生產(chǎn)負荷穩(wěn)定時，排液閥閥位開度增大以及外送凈化水量的增加也是判斷E101泄露加劇的手段。

3.4 中變反應器床層壓差增大

在生產(chǎn)負荷無較大波動的工況下，如果中變反應器床層壓差逐漸增大，也可作為判斷E101泄露的手段。因換熱器管束腐蝕泄露，E101殼程中壓除氧水滲入到管束內(nèi)，與高溫轉化氣混合閃蒸析出鈉、鈣、鉀鹽等，帶至后路中變反應器R104頂部床層，形成厚厚的板結層，這些鹽類結塊堵塞R104床層磁球以及中變催化劑，造成R104床層壓降升高。

4 結語

在制氫裝置生產(chǎn)運行過程中，如果判斷出轉化氣蒸汽發(fā)生器有內(nèi)漏趨勢，應立刻著手制作新設備，因為該換熱器一旦發(fā)生內(nèi)漏故障非常難修復，且失效速度很快。為延長轉化氣蒸汽發(fā)生器使用壽命，在工藝操作方面可進行如下控制。

(1)E101管束內(nèi)漏期間，在操作上盡量減少管程、殼程壓差，特殊情況下可將外送3.5MPa蒸汽改放空，來降低汽包壓力。操作人員應監(jiān)控好轉化爐出口溫度避免大的波動，確保產(chǎn)汽量穩(wěn)定。

(2)E101管束內(nèi)漏期間，原則上不進行負荷調(diào)整。若必須調(diào)整生產(chǎn)負荷，則以≯1%(閥位)/h調(diào)整進料量和配汽量，嚴控工藝操作波動。

(3)E101管束內(nèi)漏期間，溫控閥TV10505保持手動操作以≯1%(閥位)/h進行調(diào)整。維持R104入口溫度不超工藝指標，監(jiān)控中變氣CO含量變化情況。

(4)監(jiān)控PSA產(chǎn)品氫化驗及在線表一氧化碳數(shù)據(jù)≯10mg/m3，數(shù)據(jù)異常及時加樣，加強產(chǎn)品監(jiān)控。TV10505控制溫度大副降低至280℃以下時則按方案緊急停工。

(5)減少計劃性停工次數(shù)，杜絕異常停工。在停工操作方面避免大幅度的溫度、壓力波動，減少應力沖擊造成換熱器應力拉裂損壞。在每次停工檢修中，換熱器管束有條件盡量保證吹掃、清洗干凈，減少腐蝕產(chǎn)物的積聚。