甲醇裝置預熱爐聯箱泄漏原因分析及改進

徐紅梅 曹 莉

作者通聯：山西焦化股份有限公司甲醇廠 山西洪洞廣勝寺 041606

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一、前言

預熱爐是甲醇裝置的主要設備，是利用燃燒氣的燃燒熱將爐管內的鍋爐水、氧氣+蒸汽、焦爐氣+蒸汽進行加熱的設備，爐管由三段盤管組成，其中上段盤管將鍋爐給水的溫度由100℃加熱到120℃，中段盤管將氧氣+蒸汽由230℃加熱到400℃，下部盤管將焦爐氣+蒸汽由500℃加熱到660℃，而后進入轉化爐進行甲烷轉化。預熱爐焦爐氣聯箱是由10根爐管加熱的焦爐氣+蒸汽的入、出口匯集的設備。運行中輻射段出口聯箱發生泄漏，經過綜合分析，對聯箱進行改進。

二、改進前運行情況

預熱爐安裝試壓時，就出現輻射段盤管第三根出口管與出口聯箱相連處泄漏現象，出口聯箱上部表面產生裂紋，進行了補焊修復。2008年輻射段盤管出口聯箱法蘭又發生泄漏，停車換墊并更換連接螺栓。

2009年預熱爐輻射段盤管與出口聯箱焊縫處再次泄漏并著火，預熱爐輻射段盤管出口共有10根Φ89mm×7mm的管與Φ457mm×20mm的出口聯箱相連。經檢查，發現從下部往上共有6根管與出口聯箱相連的角焊縫有不同程度的裂紋，其中最長的有140mm，短的有50mm。

三、出口聯箱泄漏原因分析

1.原設計及制造存在缺陷

（1）預熱爐安裝試壓期間出現輻射段盤管第三根出口管與出口聯箱相連處發生泄漏，出口聯箱上部表面產生裂紋，進行了補焊修復；經對原設計圖進行查看，發現預熱爐輻射段盤管出口引出管與出口聯箱的焊接結構原始設計不完善（沒有角焊縫的焊接詳圖），施工單位在現場制作時也未按相關焊接規范進行焊接，焊接工藝存在不完善，不到位現象。

（2）在第二次泄漏后的檢修過程中，發現原引出管與出口聯箱的角焊縫存在焊角高度不夠且未焊透、聯箱與引出管熔合不好等缺陷。出口聯箱在修復坡口打磨過程中，發現母材本身存在環狀夾層及蜂窩狀氣孔缺陷。

（3）出入口聯箱的材料及厚度經過校核計算不能滿足工藝條件。計算依據壓力管道規范GB/T 20801.3-2006第3部分中的第26頁。

（4）預熱爐出口聯箱強度計算。預熱爐出口聯箱設計參數。管道出廠標準選定為GB/T 4237—2007，外徑457mm，壁厚20mm，材料 310S（0Cr25Ni20Ⅱ），管道設計溫度 660℃，設計壓力2.33MPa。（具體計算過程略）。厚度t應是管道的實際厚度減去管道的負偏差（C1）再減去管道的腐蝕裕量（C2）。依據GB/T 14976—2002標準中外徑和壁厚的允許偏差一覽表，取C1為實際厚度的5%，依據華東理工大學出版的化工設備機械基礎中表14-6腐蝕裕量一覽表，由于該管道為不銹鋼材料且為單面腐蝕，選C2=0，t=管道實際厚度-C1-C2=19mm。根據 GB/T 20801.3-2006標準中第26頁，選用直管的內壓設計計算公式（1）。

式中D—管外徑，mm

p—設計壓力，MPa

Φ—焊件縱向焊接接頭系數，按GB/T 20801.2-2006表A.3，A.4查表

S—設計溫度下管道組成件金屬材料的許用應力，MPa

Y—計算系數，當t＜D/6按第26頁表16查取

在不同溫度和壓力下直管段材料應力的計算（計算過程略）。660℃時310S（0Cr25Ni20Ⅱ）的許用應力為14.6MPa。當管段在660℃、壓力2.33MPa時，Y值采用內差法算得Y=0.7，所需許用應力S=26.39MPa＞14.6MPa (同一溫度下的實際許用應力)，因此在660℃、2.33MPa工況下，聯箱不能滿足使用要求。

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將材料改為316（0Cr17Ni12Mo2），壁厚改為25mm，設計條件不變的情況下，660℃時316（0Cr17Ni12Mo2）的許用應力為46.2MPa。S=26.39MPa＜46.2MPa，因此在 660℃、2.33MPa 工況下，材料為316（0Cr17Ni12Mo2），壁厚為25mm的聯箱能夠滿足使用要求。

3.盤管與聯箱連接強度不夠

泄漏部位均在盤管與出口聯箱的角焊縫處，可以判定盤管與聯箱連接強度不夠。

4.預熱爐出口聯箱熱應力限位存在缺陷

泄漏部位均在角焊縫下部，出口聯箱熱膨脹下移對角焊縫產生拉力作用，而焦爐氣管線的彈簧支撐和熱膨脹及應力補償存在缺陷，導致熱應力不能被有效吸收和補償。

四、改進的必要性

（1）出口聯箱在安裝試壓時第三根管就因泄漏進行過修復，2009年11月焊縫修復已是第二次，根據壓力容器、壓力管道相關規范要求，焊縫修補不能超過三次，因此該聯箱以后出現類似情況已不能再進行修復。

（2）2009年11月修復工作是冬季施工，作業環境對施焊極其不利，致使焊縫焊接時存在氣孔或裂紋進行了多次打磨返修；且因受到修復條件限制，修復工作存在諸多不規范的作業等，都對出口聯箱的安全使用壽命造成一定影響。

（3）出口聯箱在坡口打磨過程中的母材本身存在缺陷（環狀夾層及蜂窩狀氣孔），雖然修復后現階段開車沒有問題，但不能保證長期安全穩定運行。

結合以上幾方面的原因，考慮到甲醇裝置的長周期安全穩定運行，若要徹底解決聯箱存在的設計、制造等方面的缺陷，必須對聯箱進行改進。

五、改進措施

（1）針對聯箱與出口盤管的連接強度較弱，制定改進方案。考慮到聯箱的法蘭在出口聯箱檢修隔離、管道置換、焊縫質量保證的重要性，決定不改變聯箱與上部焦爐氣管線的法蘭連接形式。

采用聯箱管接頭補強的方式，預先將加強管與聯箱焊接好，盤管與出口聯箱的加強管采用對接焊型式，此道焊縫在現場進行焊接。此方案需嚴格按照焊接規范進行焊接工藝的編制和實施，保證角焊縫的質量。

（2）入口聯箱改進。為確保預熱爐安全運行，對入口聯箱也采用上述方法進行改進，以免類似泄漏發生。

（3）聯箱材料及厚度改變。出口聯箱材料由310S（0Cr25Ni20Ⅱ）改為316（0Cr17Ni12Mo2）；規格由Φ457mm×20mm改為Φ457mm×25mm。

（4）預熱爐出口聯箱熱應力限位改為硬限位。從預熱爐盤管與焦爐氣管線的熱膨脹方向考慮，出口聯箱底部必須加硬約束（必須從地面打基礎進行支撐）。以防出口聯箱管線熱膨脹下移，對引出管產生向下的拉力。

（5）管道熱膨脹及彈簧支撐校核。對預熱爐到轉化爐之間的熱力管線的彈簧支撐重新進行應力校核，根據系統負荷對出口管熱膨脹重新進行計算，現場監測熱膨脹量，避免支撐對管道熱膨脹造成應力約束。對預熱爐至轉化爐的氧氣管線、焦爐氣管線彈簧支撐位置進行測繪，交由設計院進行校核，對不合理的支撐位置重新布置。

六、改進后效果

2010年6月對輻射段盤管出口聯箱進行了更換，2011年5月對輻射段入口聯箱進行了更換，對不合理的支撐位置重新進行布置，到目前為止，該設備運行穩定，未再產生泄漏。