商好朋 楊麗君 商好賓 沈文朋

（1.山東華星石油化工集團有限公司；2.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

山東華星石油化工集團有限公司（簡稱華星公司）的20 000Nm3/h制氫裝置轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐，自2011年8月投用至2016年3月間出現(xiàn)過4次換熱管泄漏故障（2012年、2013年、2014年檢修堵漏，2016年3月?lián)屝薅侣?，其?次檢修打壓時泄漏部位為出口管端的角焊縫，立即分別進(jìn)行了堵漏。2016年10月對該設(shè)備進(jìn)行了緊急更換，但是在2019和2020年檢修該設(shè)備時仍發(fā)現(xiàn)20根換熱管有內(nèi)漏現(xiàn)象，再次停車進(jìn)行堵漏。此故障引起廢熱鍋爐反復(fù)停車和維修，給華星公司造成了很大的經(jīng)濟損失。另外，國內(nèi)其他企業(yè)制氫廢熱鍋爐（包括引進(jìn)的大型制氫裝置的廢熱鍋爐）都曾被報道過運行中出現(xiàn)的故障。近年來，甲醇、煤制氣等諸多裝置中也多有轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的故障報道。因此，廢熱鍋爐的穩(wěn)定運行已成為整個制氫工藝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

為了解決20 000Nm3/h制氫裝置轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐存在的問題，華星公司委托有多年實際生產(chǎn)經(jīng)驗的專業(yè)設(shè)計制造公司，根據(jù)設(shè)備的實際運行情況重新設(shè)計制造一臺全新的轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐，更換原故障頻發(fā)的老設(shè)備，到目前新設(shè)備運行良好，未發(fā)現(xiàn)任何故障的發(fā)生跡象。為杜絕同類設(shè)備出現(xiàn)類似故障，筆者將原轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐改造要點做一總結(jié)，對國內(nèi)類似設(shè)備的改進(jìn)大有裨益。

1 設(shè)備概況

轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐是20 000Nm3/h制氫裝置的下游設(shè)備，高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)轉(zhuǎn)化爐出口直接進(jìn)入廢熱鍋爐。該廢熱鍋爐的操作與設(shè)計條件見表1。

表1 轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的操作與設(shè)計條件

2 設(shè)備改造要點

為了從根本上消除原設(shè)備存在的弊端，改造單位從設(shè)計到制造采取多項措施來保證新設(shè)備的質(zhì)量。

2.1 設(shè)計單位選擇

華星公司選擇有實際經(jīng)驗的專業(yè)設(shè)計制造一體化供貨商——天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司（簡稱天華院）承擔(dān)此次改造任務(wù)。天華院具有很強的專業(yè)設(shè)計制造能力，編撰了GB/T 151—2014《熱交換器》附錄中“撓性管板”一節(jié)。在重新設(shè)計的過程中，天華院結(jié)合原廢熱鍋爐的實際運行情況進(jìn)行分析計算，在不改變外形尺寸的基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2.2 設(shè)計改進(jìn)

在本次設(shè)計中，前、后管板采用應(yīng)力分析法設(shè)計、設(shè)備整體按常規(guī)設(shè)計，充分考慮了熱應(yīng)力的影響，并分別對3種極限工況進(jìn)行強度核算分析，保證設(shè)備運行的安全性。

2.2.1 嚴(yán)控?zé)岫斯芸诘臒崃髅芏?/p>

利用內(nèi)窺鏡對原廢熱鍋爐換熱管內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分管束內(nèi)部有催化劑粉末結(jié)垢（圖1），甚至有些管束內(nèi)部已被腐蝕穿透。由于工藝氣中含有CO2和H2O，在換熱管內(nèi)部結(jié)垢后，靠近后管箱的地方容易形成垢下碳酸腐蝕，進(jìn)而換熱管內(nèi)表面形成麻坑，管壁減薄，長時間則會發(fā)生換熱管內(nèi)部泄漏［1］。

圖1 換熱管內(nèi)部結(jié)垢情況

由結(jié)合實際運行工況的計算結(jié)果可知，正常操作時進(jìn)入廢熱鍋爐的工藝氣流量較之設(shè)計的最大值有很大的差別，從而造成出口流速過低。在以往的廢熱鍋爐設(shè)計中，過大的換熱面積只要通過中心旁路閥調(diào)節(jié)滿足出口溫度即可，但是在此項設(shè)計計算中出口流速和換熱管長度都會對廢熱鍋爐的運行造成很大的影響。因此，在重新設(shè)計計算時，為防止催化劑顆粒附著在換熱管后端，避免換熱管出口部分形成垢下腐蝕破壞，采取的舉措為：

a.提高操作條件下最小出口流速，然而隨著出口流速的增加，換熱管入口的流速也隨之增加，換熱管入口處的熱流密度在一定范圍內(nèi)也隨之增加，此時容易發(fā)生膜態(tài)惡化傳熱現(xiàn)象。因此，必須嚴(yán)格控制熱端管板管口的熱流密度，即控制流速成為設(shè)計過程中必須重視的一個重要環(huán)節(jié)。通過反復(fù)計算選擇后，新設(shè)計參數(shù)在各個工況下，既滿足了出口流速的增加又控制了管口的熱流密度。

b.縮短換熱管的長度，在滿足最大換熱面積的情況下，通過調(diào)節(jié)換熱管規(guī)格、適當(dāng)減少換熱余量和縮短換熱管的長度的方法，縮短粉塵在換熱管中的停留時間，從而達(dá)到減少粉塵附著的目的。

2.2.2 管板和管接頭采用全焊透結(jié)構(gòu)

原設(shè)備前、后管板選用的是強度焊+貼脹的焊接形式，該方法在早期的廢熱鍋爐制造中被廣泛應(yīng)用，但經(jīng)實踐證明，此種方法易發(fā)生“尺蠖幼蟲”破壞現(xiàn)象［2］。目前，國內(nèi)外采用比較多的是“內(nèi)孔焊”和“全深焊透”結(jié)構(gòu)：內(nèi)孔焊的施工與質(zhì)量控制的難度均較大，尤其在管板兩端無法實施，冷端管板的焊縫區(qū)還是破損高發(fā)部位，此工藝的工期較長；全深焊透的質(zhì)量不易控制，對焊接工作人員水平要求高，此工藝的工期較長。天華院設(shè)計人員開發(fā)的深孔焊工藝，既能保證焊接質(zhì)量，又節(jié)省時間，到目前該工藝已被成功應(yīng)用到數(shù)百臺廢熱鍋爐制造中。因而，此次廢熱鍋爐的改造中就選擇了這種深孔焊結(jié)構(gòu)。

2.2.3 熱端管板管口采用熱保護技術(shù)

由于高溫和高速的氣流沖蝕，高溫側(cè)管板與換熱管的連接處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，也是最薄弱的部位。原廢熱鍋爐選用的是陶瓷性保護套管，但是在熱沖擊下陶瓷套管容易破裂，故此次改造時選擇了耐高溫的金屬保護套管。在原廢熱鍋爐設(shè)計中管板與管箱中耐火材料的外側(cè)有層金屬防護襯板以防止工藝氣體沖刷耐火材料，但是在高溫環(huán)境下此保護襯板的焊接接頭處易開裂甚至脫落，進(jìn)而可能與管板碰撞或堵塞部分管子，造成高溫氣體偏流和操作條件惡化，故此次改造時，在耐火材料的外側(cè)選擇了耐磨強度更高的重質(zhì)澆注料，它能替代防護襯板有效防護高溫氣體的沖刷。

2.3 制造管控

原廢熱鍋爐的換熱管與管板焊接處頻發(fā)泄漏，除了設(shè)計方面存在弊端外，制造方也負(fù)有一定的責(zé)任。在本次廢熱鍋爐改造中，天華院以完整的質(zhì)量保證體系和專業(yè)化的匠人施工隊伍，從細(xì)節(jié)到整體全面保證設(shè)備的制造質(zhì)量。

3 結(jié)束語

通過采取上述改造措施，改造后的廢熱鍋爐一直運行平穩(wěn)，到目前未出現(xiàn)任何故障，說明此次改造是成功的。

轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐既非普通的換熱器，也非一般的鍋爐設(shè)備，設(shè)計和制造都有其專業(yè)獨特性，建議該類設(shè)備的設(shè)計供貨應(yīng)由專業(yè)公司承擔(dān)，這樣才能保障生產(chǎn)運行安全平穩(wěn)。目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的設(shè)計和供貨已形成專業(yè)化的隊伍，可以很好解決制氫等行業(yè)中類似的故障問題。