甲醇合成塔環焊縫裂紋缺陷的修復

苗付杰

(盛隆化工有限公司，山東 滕州　277519)

甲醇合成塔是甲醇生產裝置中的關鍵設備，操作壓力高，為三類壓力容器。甲醇合成塔一旦出現事故，不僅會造成甲醇生產裝置全線停車，甚至有可能會造成人員傷亡。因此，做好甲醇合成塔的維修工作，保證維修質量，顯得尤為重要。下面就某公司10萬t/a甲醇生產裝置甲醇合成塔筒體環焊縫裂紋缺陷及修復過程作簡要介紹。

1　甲醇合成塔結構及材質

該甲醇合成塔為管殼式結構，管程裝填C309銅基催化劑，殼程內部是鍋爐水。筒體材質為13MnNiMoNbR，筒體直徑3400 mm，筒體壁厚42 mm。換熱管材質為SAF2205雙相鋼。管板材質是20MnM Ⅳ+堆焊。球形封頭材質為15CrMoR。

圖1　甲醇合成塔現場

2　甲醇合成塔主要工藝技術參數

表1　主要工藝技術參數

表2　入塔氣組成

3　甲醇合成工藝流程簡介

從合成氣壓縮機出來的合成氣壓力為4.0～5.9MPa，溫度為80℃。合成氣經過氣氣換熱器的殼程時被來自甲醇合成塔的熱氣體預熱到205～225℃，然后進入甲醇合成塔的頂部。

甲醇合成塔是一個管殼型反應器，管內裝有C309銅基催化劑。當合成氣進入催化劑層后，H2與CO、CO2反應生成甲醇和水，同時還有微量的其它雜質生成。主反應：

合成甲醇的兩個反應均為強放熱反應，必須在反應過程中不斷的將熱量移走，反應才能正常進行。 從轉化工段來的鍋爐水，壓力為4.1 MPa，溫度為170～190℃，送入甲醇合成塔頂部的汽包。汽包與甲醇合成塔殼程之間由上升管和下降管進行連通，實現鍋爐水和蒸汽的循環。甲醇合成反應釋放出的熱量大部分由合成塔殼側的鍋爐水帶走，同時產生3.9MPa、249℃的蒸汽，被減溫減壓到0.5MPa、158℃左右送往低壓蒸汽管網。通過控制汽包壓力來控制催化劑層溫度及合成塔出口溫度。為保證鍋爐水質量， 防止鍋爐水結垢，需要往鍋爐水中連續注入5%(wt)的磷酸鹽溶液。

合成塔出口壓力為5.6MPa、溫度為 255℃的反應氣進入氣氣換熱器的管程時與入塔合成氣逆流換熱，被冷卻到90℃左右。

從氣氣換熱器管程出來的混合氣體進入變頻蒸發冷卻器被冷卻至≤40℃，甲醇被冷凝成液體，再進入甲醇分離器分離出粗甲醇。 分離出粗甲醇后的氣體，壓力為5.45 MPa，溫度為40℃，返回到合成氣壓縮機的循環段。分離出的粗甲醇被減壓到0.5 MPa送到閃蒸槽。閃蒸出來的氣體送往燃料氣管網作為燃料，閃蒸槽內的粗甲醇被送往甲醇精餾工段進行精餾提純。

4　甲醇合成塔環焊縫裂紋缺陷簡介

該甲醇合成塔于2006年投入使用，在2014年12月中旬甲醇合成塔筒體環焊縫出現蒸汽泄漏。甲醇系統停車后，拆除合成塔外部保溫層發現泄漏點為 2 mm的氣孔。對缺陷處預熱后進行碳弧氣刨，發現在表面氣孔下約10 mm處出現連貫裂紋，長約200 mm。后對整條環焊縫進行超聲波檢測發現其他部位存在長短不一的裂紋，裂紋深度不等。甲醇合成塔的筒體材質為13MnNiMoNbR，該材質有延遲裂紋傾向，初步判斷甲醇合成塔環焊縫存在的裂紋為延遲裂紋。

5　現場返修

鑒于合成塔環焊縫存在的裂紋不僅長度較長，而且位置較深，為確保今后合成塔運行安全，需對整條環焊縫進行返修。

因為正值冬季，考慮到風雪因素，返修前在合成塔周圍用阻燃防雨布搭建防風圍擋，確保在返修過程中不受外界風雪因素的影響。

在用碳弧氣刨清除焊縫缺陷前將整條環焊縫用電加熱帶進行加熱至150℃并保溫。為防止焊接應力集中，消除焊縫缺陷及焊接采用對稱作業，將整條環焊縫按對角線依次分區返修。為防止現有裂紋繼續延伸，在各分區交界處用電鉆打止裂孔。

用碳弧氣刨清除焊縫缺陷后再用角磨機打磨焊接坡口。焊縫坡口用角磨機打磨成U形外坡口，坡口底部應圓滑。坡口表面應打磨出金屬光澤，不能有碳弧氣刨留下的氧化層。打磨好坡口后，進行滲透檢測，確認裂紋是否全部清除。

經滲透檢測缺陷全部清除后才能實施焊接作業。為保證焊縫金屬具有良好的韌性和塑性，焊接時采用承壓設備專用超低氫低合金鋼焊條J607NiR，焊條 4 mm。焊前焊條須經380℃烘焙1～2 h，隨烘隨用。焊接時采用短弧操作，窄道焊方法，焊接電流140～170A。焊接過程中要保證焊縫溫度在150℃以上。溫度低于150℃時立即停止焊接作業，對焊縫進行加熱。

為防止焊后延遲裂紋的產生，當一個對角線上的分區焊縫焊滿時要立即對焊縫進行消氫處理，以加快焊縫及熱影響區中氫的逸出。消氫處理加熱溫度應達到(330±20)℃，保溫2 h后使之緩慢冷卻至常溫。為保證加熱均勻，加熱帶要并聯布置。熱電偶點焊在環焊縫上，焊釘采用J607NiR焊條。保溫帶要保證完全覆蓋加熱帶并向外側各延伸600 mm，保溫層厚度約100 mm。

冷卻至常溫后將焊縫進行打磨，確保焊縫與母材平滑過渡。因為在熱處理過程中也有產生裂紋等缺陷的可能，所以焊縫外觀檢查合格后仍要將整條環焊縫進行磁粉檢測和超聲波檢測。

為防止環焊縫變形和產生應力裂紋，在磁粉檢測和超聲波檢測合格后應對整條環焊縫進行消除應力熱處理，以消除焊接殘余應力。消除應力熱處理的加熱溫度為(620±20)℃，加熱寬度為焊縫上下各300 mm范圍，保溫3 h后使之緩慢冷卻至常溫，這樣可以使焊縫殘余應力得到松弛和穩定。消除應力熱處理后要對整條環焊縫再進行一次磁粉檢測和超聲波檢測。

磁粉檢測和超聲波檢測合格后對甲醇合成塔殼程做水壓試驗，試驗壓力5.4MPa。殼程做水壓試驗時管程應保壓，管程壓力不低于2.5MPa。水壓試驗合格后要對整條環焊縫進行磁粉檢測。磁粉檢測合格說明環焊縫所有的缺陷都已經消除，可以恢復投用合成塔進行甲醇生產。

6　甲醇合成塔的使用及維護經驗總結

在甲醇生產過程中要確保甲醇合成塔的各項工藝指標始終在正常范圍內。當合成條件惡化，可適當降低生產負荷，提高汽包壓力。必要時打開放空閥控制系統壓力在指標范圍內，不得超壓維持正常生產。系統減量要及時提高汽包壓力，調整循環量，控制溫度在指標范圍之內。調節壓力時，必須緩慢進行，確保合成塔溫度正常。如果壓力急劇上升會使設備和管道的法蘭接頭和壓縮機填料密封遭到破壞。壓力升降速度一般控制在≤0.4MPa/min。

通過調節汽包壓力來調節催化劑床層溫度。汽包壓力每改變0.1MPa。床層溫度就相應改變1.5℃。因此調節汽包壓力一定要勤調細調，根據生產情況決定調節幅度，維持催化劑床層正常操作溫度，避免大幅度波動。

在正常生產中汽包液位一般控制在汽包容積的1/3～1/2之間，這樣既能夠保證合成反應熱能夠及時移出，同時也確保汽包蒸汽的及時排放，防止蒸汽出口管中帶水。汽包排污大小也可以對其壓力和液位進行微調，必要時可加大排污量來迅速降低汽包液位和壓力，以調節合成塔催化劑床層溫度。

鍋爐水的質量對于甲醇合成塔和汽包的安全經運行是極其重要的。鍋爐水中的氧是汽包的主要腐蝕物質，因此在鍋爐水進入汽包前必須對脫鹽水或蒸汽冷凝液進行除氧。根據亨利定律,在一定的壓力下,水的溫度越高,氣體的溶解度就越小。當水的溫度達到沸點時,溶解在水中的各種氣體就會全部逸出。通過控制除氧器頂部壓力在0.01～0.02MPa，鍋爐水溫度在102～104℃，可以使氧從鍋爐水中逸出。