制氫轉化氣蒸汽發生器的內漏趨勢及應對措施

郭亮(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 引言

轉化氣蒸汽發生器是制氫裝置的核心設備，其運行狀況直接影響到裝置及下游裝置的正常運行[1]，一旦發生內漏故障修復很困難，只能更換新設備。近幾年，在我國煉油行業同類裝置生產運行過程中，出現多個制氫裝置該換熱器管束腐蝕泄露的問題，相關資料屢見報端[2-5]，成為困擾制氫裝置長周期“安、穩、長、滿、優”運行的重要瓶頸。因此E101內漏方法的判斷、趨勢分析以及操作建議可供同行學習和借鑒。

60000Nm3/h制氫裝置轉化氣蒸汽發生器于2016 年5 月首次投用，至2019年12月共經歷8次計劃性停工與2次異常停工。其中2018年12月全廠大檢修期間發現E101主要腐蝕部位在出口管板四周的小管，現象為角焊縫腐蝕減薄以及管束內部坑蝕、減薄穿孔。2019年7月為配合蠟油停工消缺，制氫裝置維持40%超低負荷運行，7月25號負荷逐漸提高，至8月初轉化氣蒸汽發生器E101出口轉化氣溫度快速下降、E101出口溫控閥閥位逐漸上升、汽包上水量和產汽量差值逐漸變大、中變分液排水增多、中變反應器床層壓降逐漸增大等現象。從首次發現E101內漏到新型換熱器到貨更換，一共帶病運行了17個月，期間共停工檢修兩次，共堵小管束189根，總堵管率為46.3%(E101共408根小管)。

1 蒸汽發生器結構與流程

1.1 轉化氣蒸汽發生器結構形式與工況參數

60000Nm3/h制氫裝置轉化氣蒸汽發生器0213-E-101為柔性固定管板式換熱器，型號為Φ2000/Φ1600/Φ1600×15150×42/40/38，換熱面積410m2，重量58.16t，由洛陽院設計，北京燕華制造，換熱器管板及管束采用低合金鋼15CrMoR，換熱管入口管板處襯有剛玉陶瓷管及隔熱襯里，殼程介質為除氧水、水蒸氣，管程介質為轉化氣。E101管程主要在315～780℃處于臨氫及甲烷、CO等高還原性氣體氣氛中。

1.2 工藝流程

制氫原料煉廠氣與液態烴經過加氫后進行脫硫、脫氯反應，在配入3.5MPa蒸汽混合后進入轉化爐，進行強吸熱反應生成轉化氣進入轉化氣蒸汽發生器管程入口，在此與殼程的汽包水換熱降溫后進入中變反應器R104繼續反應。經中溫變化反應后中變氣經過后續的冷卻系統，將中變氣溫度降至25℃進入PSA裝置進行氫氣提純，具體流程見圖1。

圖1 轉化中變系統工藝流程圖

2 內漏原因分析

轉化氣蒸汽發生器發生泄露的原因主要是高設計余量以及長期50%的低負荷運行，造成換熱器小管束介質流速偏低[6]。從2016年6月首次投產到2019年12月新換熱器更換，六次計劃性停工以及兩次異常緊急停工，對制氫轉化氣蒸汽發生器管束造成巨大的破壞，因換熱管過長，產生的溫差應力大，無法很好的吸收管束和殼體產生的軸向伸長，容易使管板及管頭在停開工過程中產生裂紋。

2019年10月對E101管束冷端腐蝕產物進行XRF檢測分析(表1)得知：E101隔熱、耐磨材料機械強度有所下降，筒體部分保溫隨高溫氣流沖刷脫落，轉化爐爐管上部催化劑Z405-4中鉀堿抗積炭助劑有所流失，均在流速過低的小管束冷端積聚；其次，由于轉化氣蒸汽發生器處于滿足金屬塵化腐蝕三要素即“合金、轉化氣、482～816℃”環境中，造成管束15CrMoR材料的滲碳。當換熱器管板處角焊縫一旦出現輕微泄露，轉化氣蒸汽發生器殼程的高壓除氧水即進入換熱器管束里，其中攜帶的磷酸鹽、鈣鹽、鎂鹽、非飽和水蒸氣，與氣體中富集的氯與硫，造成管束口出沖刷腐蝕、垢下腐蝕、碳酸腐蝕、硫氯腐蝕等多種復雜的腐蝕環境，加速了換熱器管束減薄穿孔。

3 內漏方法判斷與趨勢

3.1 水汽平衡數據監控

制氫轉化氣蒸汽發生器E101若發生內漏加劇，殼程3.9MPa、253℃的飽和水竄入2.8MPa、330℃管束的量將增多，造成上水量與產汽量的嚴重不平衡，因此水汽平衡可作為監控制氫轉化氣蒸汽發生器內漏的重要手段之一。2019年7～9月平衡數據如表2，當每小時泄露量達到5t/h時，泄露速度便將呈快速增長態勢，此時裝置應盡快著手準備停工消缺堵漏工作。

表1 管束出口垢樣XRF元素種類及含量

表2 水汽平衡數據監控表

3.2 E101出口溫度與溫控閥閥位開度監控

E101出口溫控閥TV10505一直處于自動狀態，當F101出口溫度波動或者內漏加劇時，溫度低于TV10505設定值該溫控閥閥位將自動增大。在生產運行負荷穩定、爐出口溫度保持恒定的工況下，如果TV10505閥位出現大幅度的上漲，則可以判斷E101內漏加劇。

3.3 中變分水罐排液閥閥位開度以及外送凈化水數據監控

當E101內漏加劇時，大量飽和水竄入管束的量將增多，后路中變冷卻下來的水也會增多。當制氫配汽量恒定且生產負荷穩定時，排液閥閥位開度增大以及外送凈化水量的增加也是判斷E101泄露加劇的手段。

3.4 中變反應器床層壓差增大

在生產負荷無較大波動的工況下，如果中變反應器床層壓差逐漸增大，也可作為判斷E101泄露的手段。因換熱器管束腐蝕泄露，E101殼程中壓除氧水滲入到管束內，與高溫轉化氣混合閃蒸析出鈉、鈣、鉀鹽等，帶至后路中變反應器R104頂部床層，形成厚厚的板結層，這些鹽類結塊堵塞R104床層磁球以及中變催化劑，造成R104床層壓降升高。

4 結語

在制氫裝置生產運行過程中，如果判斷出轉化氣蒸汽發生器有內漏趨勢，應立刻著手制作新設備，因為該換熱器一旦發生內漏故障非常難修復，且失效速度很快。為延長轉化氣蒸汽發生器使用壽命，在工藝操作方面可進行如下控制。

(1)E101管束內漏期間，在操作上盡量減少管程、殼程壓差，特殊情況下可將外送3.5MPa蒸汽改放空，來降低汽包壓力。操作人員應監控好轉化爐出口溫度避免大的波動，確保產汽量穩定。

(2)E101管束內漏期間，原則上不進行負荷調整。若必須調整生產負荷，則以≯1%(閥位)/h調整進料量和配汽量，嚴控工藝操作波動。

(3)E101管束內漏期間，溫控閥TV10505保持手動操作以≯1%(閥位)/h進行調整。維持R104入口溫度不超工藝指標，監控中變氣CO含量變化情況。

(4)監控PSA產品氫化驗及在線表一氧化碳數據≯10mg/m3，數據異常及時加樣，加強產品監控。TV10505控制溫度大副降低至280℃以下時則按方案緊急停工。

(5)減少計劃性停工次數，杜絕異常停工。在停工操作方面避免大幅度的溫度、壓力波動，減少應力沖擊造成換熱器應力拉裂損壞。在每次停工檢修中，換熱器管束有條件盡量保證吹掃、清洗干凈，減少腐蝕產物的積聚。