趙 陽，袁 帥

(安陽化學工業(yè)集團有限責任公司，河南 安陽 455133)

0 引 言

安陽化學工業(yè)集團有限責任公司(簡稱安化公司)第二套合成氨/尿素裝置于1999年3月建成投產(chǎn)，設計產(chǎn)能為120 kt/a合成氨、200 kt/a尿素，其半水煤氣凈化系統(tǒng)采用中溫變換→低溫變換→變換氣脫硫→鉀堿液脫碳→氧化鋅脫硫→甲烷化的工藝流程。2010年，本套合成氨裝置進行擴能改造，改造為聯(lián)醇工藝，凈化系統(tǒng)工藝流程改為中溫變換→低溫變換→變換氣脫硫→變壓吸附脫碳→干法脫硫→低壓醇烴化→氨合成；改造完成后，第二套合成氨/尿素裝置產(chǎn)能為170 kt/a氨醇、240 kt/a尿素。安化公司第二套合成氨/尿素裝置中串低變換工藝系統(tǒng)中，水加熱器的作用是使中變爐出口氣與熱水泵出口熱水在此完成換熱，以降低中變爐出口氣的溫度，使中變氣溫度指標達到進低變爐的要求。2019—2020年變換系統(tǒng)水加熱器頻繁出現(xiàn)泄漏，泄漏的熱水帶入低變爐后，造成低變催化劑活性下降，對系統(tǒng)生產(chǎn)負荷影響很大，同時還影響到設備的安全穩(wěn)定運行。為此，安化公司采取了一系列措施，最終徹底解決了水加熱器泄漏的問題，以下對有關情況作一介紹。

1 變換系統(tǒng)工藝流程及水加熱器簡介

1.1 變換系統(tǒng)工藝氣流程

造氣系統(tǒng)來的半水煤氣，經(jīng)壓縮機提壓至2.16 MPa送入變換系統(tǒng)，經(jīng)入工段分離器分離煤氣中的廢油水后從飽和塔塔底進入，循環(huán)熱水從飽和塔塔頂進入，在飽和塔內(nèi)經(jīng)換熱后半水煤氣溫度從常溫提至約140 ℃，之后從蒸汽混合器頂部進入，與從蒸汽混合器底部進入的2.5 MPa蒸汽混合，再經(jīng)中溫換熱器繼續(xù)提溫，通過副線調(diào)節(jié)溫度至340 ℃左右，進入中變爐進行變換反應，使半水煤氣中的CO含量由約30%降至約7%；出中變爐的工藝氣(中變氣)溫度在420 ℃左右，進入中溫換熱器降溫至約270 ℃，再通過水加熱器與循環(huán)熱水換熱降溫至200 ℃左右，進入低變爐進一步進行變換反應，使工藝氣中的CO含量降至1%左右，之后低變爐出口工藝氣(低變氣)經(jīng)降溫后送至變換氣脫硫塔。

1.2 變換系統(tǒng)循環(huán)熱水流程

循環(huán)熱水通過水加熱器與中變氣換熱，溫度升高至160 ℃左右進入飽和塔頂部加熱、增濕半水煤氣，降溫后的熱水再到熱水塔頂部，與低變氣換熱，降低低變氣的溫度并回收熱量，從熱水塔出來的熱水由熱水循環(huán)泵加壓至2.8 MPa左右送入水加熱器，形成熱水循環(huán)。據(jù)熱水水質(zhì)分析情況，通過熱水塔底排污進行部分熱水的置換——循環(huán)熱水用4.0 MPa脫鹽脫氧水補充和置換，可從飽和塔補入，也可從熱水塔補入。

1.3 水加熱器概況

水加熱器為列管式換熱器，屬二類容器，外筒規(guī)格為φ1 000 mm×14 mm×4 200 mm，換熱面積232 m2；水加熱器列管材質(zhì)為S32168，共有列管737根，列管規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm×4 200 mm。水加熱器管程介質(zhì)為循環(huán)熱水，設計壓力3.12 MPa、操作壓力2.84 MPa，設計溫度170 ℃、操作溫度157.5～168.4 ℃；水加熱器殼程介質(zhì)為變換氣，設計壓力2.42 MPa、操作壓力2.20 MPa，設計溫度292 ℃、操作溫度182.0～291.6 ℃。

2 水加熱器列管泄漏事故經(jīng)過

2019—2020年變換系統(tǒng)水加熱器共出現(xiàn)過3次泄漏：2019年4月15日，投運低變爐的過程中，發(fā)現(xiàn)低變爐入口導淋大量帶水，變換系統(tǒng)停止開車，處理水加熱器泄漏列管11根；2019年10月，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)低變爐阻力上漲較快，判斷水加熱器出現(xiàn)內(nèi)漏，當年11月檢修時對水加熱器進行了更新；2020年6月，第二套合成氨/尿素裝置檢修后開車的過程中，水加熱器再次出現(xiàn)泄漏，發(fā)現(xiàn)近300根列管泄漏，不得不更換為備用水加熱器。

以2020年6月的這次水加熱器列管泄漏為例，當時第二套合成氨/尿素裝置檢修后開車，6月21日00:25中變催化劑開始氮氣升溫，19:52開脫鹽水調(diào)節(jié)閥(FI10406)向飽和塔補水，補水(脫鹽水)流量為4 m3/h，20:42飽和塔液位開始上漲，21:32飽和塔液位達到56%，停止補水，自調(diào)閥關閉，21:40開熱水循環(huán)泵5 min，21:55中變爐開始通蒸汽提溫(低變爐前放空)。6月22日06:40接半水煤氣開車，飽和塔放空，低變爐前放空，13:35變脫塔后放空，19:43雙機加滿負荷生產(chǎn)，21:40凈化氣微量合格送氨合成系統(tǒng)；23:00發(fā)現(xiàn)甲醇合成塔填料泄漏。6月23日10:55安排停車處理。變換系統(tǒng)停車后發(fā)現(xiàn)，水加熱器管間導淋有水排出，懷疑開車過程中水加熱器出現(xiàn)了泄漏，于是在管間導淋水排凈后，從水加熱器熱水入口管補熱水檢驗水加熱器是否泄漏，補水后水加熱器管間導淋有大量水排出，基本確認水加熱器出現(xiàn)了泄漏，隨即對水加熱器列管進行堵漏：第一次堵管54根，充氮氣試壓至0.4 MPa不漏，回裝封頭后再從水加熱器熱水入口管補熱水，排水加熱器管間導淋時又有水排出，判斷水加熱器仍有列管泄漏；再次進行堵漏處理，先后兩次查漏又發(fā)現(xiàn)近300根列管存在泄漏，水加熱器泄漏的列管數(shù)量已經(jīng)超過列管總數(shù)的1/3，不具備修復價值，即使修復后其換熱效果也滿足不了生產(chǎn)所需，故當時直接更換為了備用水加熱器。

3 水加熱器泄漏列管檢測情況

本次水加熱器有超過300根列管出現(xiàn)泄漏，將所有列管全部抽出后，任意抽取了其中4根(分別編號為1#、2#、3#、4#)進行宏觀檢查，并對這4根列管(或2#、3#列管)進行了微觀檢測。

3.1 宏觀檢查情況

出現(xiàn)泄漏的300多根列管中，任意抽取的4根不銹鋼列管，經(jīng)打磨后肉眼觀察，全部有裂紋，形態(tài)為龜裂或放射狀裂紋。

3.2 微觀檢測情況

(1)對水加熱器任意抽取的4根泄漏列管(列管材質(zhì)為S32168)樣品進行合金成分光譜檢驗，并與新管(材質(zhì)為S32168)及《耐熱鋼棒》(GB/T 1221—2007)中統(tǒng)一數(shù)字代號為S32168的奧氏體型耐熱鋼的主要化學成分進行對比，光譜檢驗結(jié)果見表1?？梢钥闯觯我獬槿〉倪@4根泄漏列管的合金成分均符合GB/T 1221—2007要求。

表1 列管合金成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))的對比 %

(2)對水加熱器的2#、3#泄漏列管和新管進行組織形貌金相分析，結(jié)果為：新管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為5級，符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017)中奧氏體型耐熱鋼材料晶粒度要求；2#列管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為7級，符合GB/T 5310—2017要求；3#列管金相組織為奧氏體，組織正常，晶粒度為7級，符合GB/T 5310—2017要求。根據(jù)組織形貌檢測情況，水加熱器列管檢驗結(jié)果未見異常，表明水加熱器列管出現(xiàn)裂紋與材料自身無關。

(3)對2#、3#泄漏列管裂紋和裂紋尖端進行檢測，結(jié)果為：2#泄漏列管樣品裂紋起源于外壁，在裂紋起源處未見明顯腐蝕形貌，裂紋平直，略有分叉，裂紋多發(fā)，多數(shù)單獨發(fā)展且互相平行，靠近外壁有較多小裂紋，少數(shù)距離較近的有合并現(xiàn)象，裂紋尖端尖銳，裂紋為穿晶裂紋；3#泄漏樣品裂紋起源于外壁，在裂紋起源處未見明顯腐蝕形貌，裂紋平直，略有分叉，裂紋多發(fā)，多數(shù)單獨發(fā)展且互相平行，少數(shù)距離較近的有合并現(xiàn)象，裂紋尖端尖銳，裂紋為穿晶裂紋。從泄漏列管的裂紋形貌與裂紋走向看，其裂紋屬于熱疲勞裂紋。

4 水加熱器列管泄漏原因分析

結(jié)合水加熱器列管的檢測情況，從設備材質(zhì)、物料、操作等方面對本次水加熱器列管泄漏原因進行分析，具體如下。

4.1 設備材質(zhì)方面

本次第二套合成氨/尿素裝置檢修期間，水加熱器的試壓查漏列為了檢修項目，通過試壓查漏未發(fā)現(xiàn)設備泄漏，可以排除檢修完成開車前設備本來就存在泄漏的情況；檢修后系統(tǒng)開車出現(xiàn)甲醇合成塔填料泄漏，停車處理時發(fā)現(xiàn)水加熱器泄漏列管數(shù)量已超過列管總數(shù)的1/3，對泄漏列管樣品進行合金成分光譜檢驗和組織形貌金相分析，均符合相關標準要求，由此可排除水加熱器列管材質(zhì)不符合要求而引起泄漏的可能。

4.2 物料方面

采用蒸汽先加熱氮氣、再由氮氣對中變爐催化劑床層進行提溫，中變催化劑在氮氣升溫結(jié)束后，按要求中變爐一段催化劑床層溫度要達到350 ℃以上、二段催化劑床層溫度要達到300 ℃以上、三段催化劑床層溫度要達到260 ℃以上，但是在本次合成氨裝置檢修后開車采用此方法升溫時，由于冷熱交換器上/下封頭墊子出現(xiàn)泄漏，導致冷熱交換器無法投運，這種氮氣升溫方式只能使中變爐一段催化劑床層溫度升至290 ℃、二段催化劑床層溫度升至220 ℃、三段催化劑床層溫度升至170 ℃，中變催化劑溫度達不到起活溫度，后不得不使用蒸汽直接進中變爐提溫并在低變爐入口前放空泄壓；而水加熱器入口有切斷閥，水加熱器殼程出口管線沒有切斷閥，蒸汽提溫時，高溫蒸汽會通過出口管線對水加熱器進行加熱，而此次中變爐催化劑床層提溫時間比以往要長，造成中溫換熱器出口蒸汽溫度(TI10414)最高達到311 ℃，超出水加熱器殼程設計溫度292 ℃，即本次高溫蒸汽長時間加熱水加熱器造成的設備超溫應該是導致水加熱器列管泄漏的一個主要原因。

4.3 操作方面

本次裝置檢修后開車氮氣升溫過程中，使用中壓蒸汽提溫的要求是，提前建立飽和塔、熱水塔液位，之后開啟熱水泵3～5 min，使熱水泵出口管線以及水加熱器管內(nèi)充滿熱水，然后接中壓蒸汽，對中壓蒸汽管線進行暖管，排放各導淋，打開中壓蒸汽放空閥，逐步增加中壓蒸汽放空量，用中壓蒸汽對中變爐催化劑床層進行提溫。本次系統(tǒng)實際升溫過程為，6月21日19:52開脫鹽水調(diào)節(jié)閥(FI10406)向飽和塔補水，21:32飽和塔液位達到56%，21:40開熱水循環(huán)泵5 min，21:55中變爐開始通蒸汽提溫(低變爐前放空)；6月22日06:40蒸汽提溫結(jié)束。從實際操作過程來看，操作工是按照要求進行的操作，但正常情況下中變爐蒸汽提溫只需2 h左右，而本次開車蒸汽提溫用時近10 h，蒸汽提溫時間過長，會造成水加熱器管程內(nèi)的脫鹽水蒸干，水加熱器缺水，列管不能得到均勻的冷卻，列管局部出現(xiàn)溫度波動，列管在長時間劇烈的溫度波動狀態(tài)下，在熱應力最大的方向出現(xiàn)熱疲勞裂紋，熱疲勞裂紋由外壁逐漸延伸至內(nèi)壁，在蒸汽提溫結(jié)束后接半水煤氣開車期間，一開啟熱水泵，大量循環(huán)熱水進入水加熱器列管，熱水遇高溫迅速汽化造成列管“爆管”而泄漏，這應該是水加熱器列管泄漏的又一個主要原因。

5 解決/預防措施

(1)設備檢修方面，要避免水加熱器列管泄漏，首先要保證設備在檢修期間試壓查漏壓力達到0.6 MPa以上(水加熱器正常投運期間管程內(nèi)外壓差為0.6 MPa)，以防查漏壓力低造成漏點處理不徹底繼而系統(tǒng)開車后再次出現(xiàn)泄漏。下次系統(tǒng)檢修時，在水加熱器出口管線上增加切斷閥，把水加熱器隔離出來，從根本上解決蒸汽提溫期間長時間加熱設備造成的超溫問題。

(2)工藝操作方面，進一步細化操作要求，使用中壓蒸汽提溫的要求細化為，提高4.0 MPa熱水溫度至80 ℃以上，提前建立飽和塔、熱水塔液位，開啟熱水泵3～5 min，使熱水泵出口管線以及水加熱器列管內(nèi)充滿熱水，之后開2#增濕器噴水自調(diào)閥(TV411)前切斷閥并全開自調(diào)閥后導淋，從水加熱器熱水入口管補熱水，保證流量計(FV10406)流量在5 m3/h以上，打開水加熱器出口熱水管上新增導淋，確認有水排出(開車期間保持長流水)，然后開始接中壓蒸汽，對中壓蒸汽管線進行暖管，排放各導淋，打開中壓蒸汽放空閥，逐步增加中壓蒸汽放空量，用中壓蒸汽對中變爐催化劑床層進行提溫。中壓蒸汽提溫要求細化后，通過連續(xù)補水可避免蒸汽提溫時間過長造成的水加熱器內(nèi)的水被蒸干，從而可消除因缺水造成的水加熱器列管熱疲勞和循環(huán)熱水大量進入后列管“爆管”而致的泄漏。

(3)平時加強操作工技術(shù)培訓，提高操作技能，以便能正確地判斷和處理異常問題。

采取上述維護保養(yǎng)、技術(shù)改造、細化操作、加強培訓等措施后，第二套合成氨/尿素裝置變換系統(tǒng)水加熱器列管泄漏問題得到徹底解決。

6 結(jié)束語

在變換系統(tǒng)水加熱器列管泄漏問題的原因分析及處理過程中，我們認識到：無論是換熱設備“干燒”還是鍋爐設備“干燒”，都會造成設備超溫，影響金屬材料的強度，會對設備本身造成損壞，且“干燒”后的設備一般很難修復，多數(shù)情況下均需停車更換新設備；當發(fā)現(xiàn)設備嚴重缺水后，嚴禁向設備內(nèi)加水，若強行補水，由于溫差過大，會產(chǎn)生巨大的熱應力而使設備損壞，甚至因水遇到灼熱的金屬表面會瞬間汽化產(chǎn)生大量的蒸汽使設備內(nèi)壓力瞬間急劇升高而造成“爆管”或更嚴重的爆炸事故。因此，遇到類似問題的正確處理方式為，立即停車，使設備逐漸冷卻，檢查合格后才能再次使用。日常生產(chǎn)中，對于列管式換熱器這類設備，初期投運時一定要控制好升溫速率，要先預熱，再逐步提溫；開車時，先開啟冷介質(zhì)閥門，待穩(wěn)定后再開啟熱介質(zhì)閥門；停車時，先關閉熱介質(zhì)閥門，再關閉冷介質(zhì)閥門；正常生產(chǎn)過程中，要嚴格控制工藝指標，嚴禁設備超溫超壓運行?？傊?，通過本次水加熱器泄漏原因的分析及處理，我們對列管式換熱器的運行維護要點加深了理解，在類似換熱設備的長周期運行方面積累了寶貴的經(jīng)驗，希望能為業(yè)內(nèi)類似設備問題的判斷及處理提供一點參考與借鑒。