譚冬梅

(云南天安化工有限公司, 云南昆明 650300)

1 概述

某公司年產(chǎn)50萬t合成氨裝置配套有3臺循環(huán)流化床鍋爐(設(shè)計(jì)單臺產(chǎn)汽量為150 t/h,2開1備),為全廠供應(yīng)蒸汽。鍋爐所產(chǎn)高壓蒸汽壓力為9.8 MPa,其溫度為540 ℃。

熱電鍋爐是該公司年產(chǎn)50萬t合成氨裝置的動力和熱力系統(tǒng),為空分三合一機(jī)組、合成壓縮機(jī)等蒸汽驅(qū)動設(shè)備提供動力,同時(shí)為其他生產(chǎn)設(shè)備提供熱源。高壓蒸汽系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接影響整個合成氨生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 存在問題

高壓蒸汽管道屬于壓力管道,必須接受特檢院定期檢驗(yàn)。由于該管道長期處于高溫、高壓條件,損壞較為嚴(yán)重,有爆管風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 高壓蒸汽管道金相球化較嚴(yán)重

合成氨制造中心高壓蒸汽系統(tǒng)由8條管線組成(見表1)。在2018—2020年檢驗(yàn)中,金相球化等級為完全球化4.0級和嚴(yán)重球化4.5級。其中高壓蒸汽至煤氣化燒嘴蒸汽管道(HS-00004)金相球化為嚴(yán)重球化5.0級,且表面硬度檢測偏低。

表1 金相球化較嚴(yán)重的高壓蒸汽管道

2.2 高壓蒸汽管件出現(xiàn)裂紋

2020年1月26日,高壓蒸汽母管(HS-30204)至汽輪機(jī)一次閥前三通在肩部出現(xiàn)裂紋。后經(jīng)修復(fù)后,運(yùn)行至5月消缺檢修期間進(jìn)行更換。該三通化學(xué)元素分析和力學(xué)性能檢測結(jié)果顯示,其20 ℃沖擊吸收能量下降較多且低于標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 高壓蒸汽管道發(fā)生位移

2008年,高壓蒸汽管道因空分三合一機(jī)組主蒸汽閥閥桿斷裂造成高壓蒸汽管道整體往東位移100～200 mm。經(jīng)數(shù)年運(yùn)行后,其部分彈簧已失效。

2.4 高壓蒸汽閥門內(nèi)漏

自2009年更換3臺鍋爐并汽大閥后,閥門內(nèi)漏,在蒸汽和管道內(nèi)空氣的影響下,生成鐵銹;且該閥門安裝在垂直管段,在鍋爐開車時(shí),鐵銹聚集在閥板上,長期開關(guān)操作造成密封面擦傷,每年維修后開關(guān)一次又發(fā)生內(nèi)漏。鍋爐改造或檢修期間無法有效隔離,對蒸汽系統(tǒng)檢修影響大;檢修后水壓試驗(yàn)易造成水側(cè)進(jìn)入蒸汽側(cè),出現(xiàn)蒸汽管道水擊,故每次水壓試壓均低于工作壓力,無法對檢修質(zhì)量進(jìn)行檢測。

3 原因分析

高壓蒸汽管道溫度、壓力均較高,運(yùn)行環(huán)境惡劣,閥門、管道易失效。蒸汽管道熱膨脹量及應(yīng)力較大,設(shè)計(jì)、材料供應(yīng)、施工、操作過程中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引起管道失效[1]。結(jié)合管道實(shí)際情況及故障現(xiàn)象,通過分析,最終確定高壓蒸汽管道失效的主要原因。

3.1 未有效固定高壓蒸汽管道支架

蒸汽管道運(yùn)行過程中,因熱膨脹管道會變大。要求管道既要有足夠的柔性,允許其在一定范圍內(nèi)自由膨脹,又要設(shè)置一定數(shù)量的固定支架,避免膨脹不受控。

2008年空分裝置三合一機(jī)組主蒸汽閥閥桿斷裂,大量高壓蒸汽在短時(shí)間內(nèi)迅速退回,造成高壓蒸汽總管固定支架13-A拉脫,高壓蒸汽管道整體往東位移100～200 mm。高壓蒸汽迅速退回,推力較大,管道東移后無法回位。由于蒸汽管道未得到有效固定,經(jīng)數(shù)年運(yùn)行后部分彈簧失效。雖然各個方向均有位移,但主要沿東向位移,部分管道同時(shí)存在東向和南北向位移。管道東西向位移情況見表2。

表2 高壓蒸汽管道東西向位移情況

3.2 高壓蒸汽管道應(yīng)力較大

該公司高壓蒸汽壓力為9.8 MPa,其溫度為540 ℃,管道應(yīng)力大,運(yùn)行過程中位移距離較大[2]。

高壓蒸汽總管固定支架13-A被拉脫后,1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管沿著介質(zhì)流動方向,由北向南位移,推動高壓蒸汽總管向南移動。高壓蒸汽總管與南側(cè)廠房墻壁距離較小(見圖1),當(dāng)高壓蒸汽總管抵碰墻壁后,反推力促使1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管向北位移。蒸汽管道經(jīng)數(shù)年運(yùn)行后部分彈簧已失效。管道南北向位移情況見表3。

圖1 高壓蒸汽總管與南側(cè)廠房墻壁距離較小

表3 高壓蒸汽管道南北向位移情況

從表3可以看出,高壓蒸汽總管均是向北位移,而1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管有的向北位移,有的向南位移。其主要原因?yàn)楣艿腊l(fā)生位移后,一部分管道能夠復(fù)位,一部分管道不能復(fù)位。

3.3 高壓蒸汽管道部分管架選型不合理

高壓蒸汽管道應(yīng)力較大,在設(shè)計(jì)過程中,可通過設(shè)置“π”型彎、彈簧支吊架等提高其柔性,但具體如何設(shè)置必須經(jīng)過專業(yè)的應(yīng)力分析軟件計(jì)算。如果支架型式、彈簧荷載選擇不當(dāng),將直接影響其使用效果。

1、2、3號鍋爐正常運(yùn)行期間,集箱出口蒸汽管道上的托架3a-RS、3b-RS、3c-RS懸空,無法起到支撐管道的作用(見圖2)。建議對其重新選型。

圖2 托架3a-RS懸空

4 整改措施

4.1 校核高壓蒸汽管系應(yīng)力,彈簧支吊架重新選型

自2008年空分裝置三合一機(jī)組主蒸汽閥閥桿斷裂,高壓蒸汽總管固定支架13-A拉脫后,整個高壓蒸汽管系彈簧失效嚴(yán)重,大部分發(fā)生位移、歪斜現(xiàn)象。通過重新校核并計(jì)算應(yīng)力,根據(jù)核算結(jié)果重新采購、安裝相應(yīng)型號的彈簧,以確保整個高壓蒸汽管系安全運(yùn)行。改造支吊架共計(jì)40個[3]。

為解決1、2、3號鍋爐集箱出口蒸汽管道托架3a-RS、3b-RS、3c-RS懸空問題,將之前的滑動支架2a-RS、2b-RS、2c-RS、3a-RS、3b-RS、3c-RS改為彈簧2a-SS、2b-SS、2c-SS、3a-SS、3b-SS、3c-SS,彈簧型號分別為TD90D12、TD90D12、TD90D12、ZA22-100/6.8S-M20、ZA22-100/6.8S-M20、ZA23-110/6.9S-M16。支架做法見圖3～圖5。

說明：制作3套支架,分別為2a-SS、2b-SS、2c-SS,材料表為1套所用。

說明：制作2套支架,分別為3a-SS、3b-SS,材料表為1套所用。

圖5 3c-SS支架做法

4.2 有效固定高壓蒸汽管道支架

此次改造將13-A支架重新進(jìn)行有效固定(見圖6),以防止整個高壓蒸汽管系沿東西向繼續(xù)移動。

圖6 13-A支架重新固定

4.3 高壓蒸汽閥門升級改造

將3臺鍋爐并汽大閥和汽輪機(jī)一次閥更換為手動閘閥(型號為Z562Y-P54140 V),并根據(jù)新閥門安裝要求重新進(jìn)行配管(見圖7)。將閥門安裝在水平管段,防止停車期間蒸汽冷凝腐蝕閥芯。

圖7 鍋爐并汽大閥處改管

圖8 高壓蒸汽改管應(yīng)力分析

4.4 更換失效高壓蒸汽管道及管件

對高壓蒸汽管道導(dǎo)淋、導(dǎo)壓管進(jìn)行壁厚檢測和焊縫100%PT檢測,對部分焊高不足之處進(jìn)行打磨補(bǔ)焊+100%PT檢測,并檢查導(dǎo)淋管道受限情況。

按照以下要求對高壓蒸汽管道進(jìn)行取樣檢測：① 550 ℃屈服強(qiáng)度檢驗(yàn)、母材和焊縫分別取樣;② 常溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度;③ 20 ℃沖擊吸收能量、延伸率檢驗(yàn);④ 硬度檢測(HB);⑤ 化學(xué)成分分析;⑥ 對母材和焊縫金相組織分析(每個樣品分析外表面、中間和內(nèi)表面3個位置)。

更換檢測不符合要求的管道及管件。高壓蒸汽至HS-00004金相球化為嚴(yán)重球化5級,且表面硬度檢測偏低。全部更換該段蒸汽管道及手動閥。根據(jù)檢測情況更換三通至鍋爐并汽大閥之間的管道。新更換的三通進(jìn)行100%UT(肩部無法掃描)+100%MT檢測,排除制造缺陷。

5 應(yīng)力分析

使用國際通用的管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ[4],分析結(jié)果表明：該系統(tǒng)中的管道應(yīng)力計(jì)算合格;該系統(tǒng)的管道位移距離在可控制范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

目前,高壓蒸汽管系優(yōu)化后已運(yùn)行1 a,未發(fā)生因管道泄漏、位移等原因?qū)е律a(chǎn)裝置全線停車的情況。該項(xiàng)技術(shù)改造進(jìn)一步提升了空分三合一機(jī)組、合成壓縮機(jī)等關(guān)鍵機(jī)組蒸汽動力供給的穩(wěn)定性,為年產(chǎn)50萬t合成氨裝置安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行提供了有效保障。