氨合成系統(tǒng)廢熱鍋爐及給水預(yù)熱器檢修總結(jié)

杜坤橋

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

0 引 言

中海石油化學(xué)股份有限公司（簡稱中海油化學(xué)）化肥一部合成氨裝置以天然氣為原料，采用ICI-AMV工藝，設(shè)計產(chǎn)能為1000t／d合成氨；其中，氨合成塔采用瑞士卡薩利專利技術(shù)。自1996年6月合成氨裝置投運以來，氨合成塔一直運行穩(wěn)定，氨合成系統(tǒng)的氨凈值、床層溫度、進出口壓差等各項工藝指標均正常，并于2018年5月創(chuàng)造了卡薩利氨合成塔成功運行22a的世界紀錄。2018年3月合成氨裝置正常停車檢修，當月檢修完成開車，本次檢修首次對氨合成塔出口的合成廢熱鍋爐（08E001）和給水預(yù)熱器（08E002）進行了解體檢修，以下對本次檢修情況作一總結(jié)。

1 合成回路工藝流程及設(shè)備概況

1.1 工藝流程簡述

氨合成系統(tǒng)合成回路工藝流程簡圖見圖1（注：虛線為建立水封的管線）。從合成氣壓縮機（07K002）循環(huán)段來的合成氣進入合成氣換熱器（08E003）殼程，與合成塔出口氣換熱后進入合成塔參與反應(yīng)；合成塔底部出來的高溫氣體依次進入08E001、08E002、08E003管程，與其殼程的介質(zhì)換熱——08E001產(chǎn)生飽和高壓蒸汽、08E002加熱鍋爐水、08E003回收合成氣的熱量；08E003出口合成氣經(jīng)冷凍系統(tǒng)分離產(chǎn)品氨后進入07K002。

圖1 氨合成系統(tǒng)合成回路工藝流程簡圖

氨合成系統(tǒng)之合成塔入口溫度由08E002旁路閥（TV08001）及08E003冷激閥調(diào)節(jié)，合成塔第一、二、三催化劑床層入口溫度分別由第一旁路控制閥 （TV08015）、第二旁路控制閥（HV08003）和入口大閥（HV08001）調(diào)節(jié)；開工加熱爐用于系統(tǒng)開車初期合成塔的升溫。

1.2 設(shè)備概況

1.2.1 合成廢熱鍋爐

合成廢熱鍋爐 （08E001）由德國BORSIG公司設(shè)計制造，屬自然循環(huán)臥式火管鍋爐，主要由法蘭封頭大蓋（材質(zhì)為15NiCuMoNb5）、進口管箱（材質(zhì)為13CrMo4-5）、U形管管束（材質(zhì)為13CrMo4-5）、管板（材質(zhì)為13CrMo4-5）及換熱器殼體（材質(zhì)為15NiCuMoNb5）等組成，換熱面積為461.5m2；08E001共有192根U形管，每根U形管的進口端都有1根鎳基合金INCOLOY800H的火嘴套管，可避免U形管入口通道及管板直接與熱氣流接觸，從而可避免氫脆和氮效應(yīng)［1］。

生產(chǎn)過程中，流量33t／h的鍋爐給水在08E001殼程經(jīng)加熱后變成322.5℃、11.8MPa高壓飽和蒸汽，管程內(nèi)合成氣壓力為10.52MPa，經(jīng)換熱后合成氣溫度由401℃降至332℃。

1.2.2 給水預(yù)熱器

給水預(yù)熱器（08E002）也由德國BORSIG公司設(shè)計制造，其型式為DFU，由人孔蓋（材質(zhì)為15NiCuMoNb5）、進口管箱（材質(zhì)為13CrMo4-5）、U形管管束（材質(zhì)為13CrMo4-5，共1760根）、管板（材質(zhì)為13CrMo4-5）及換熱器殼體（材質(zhì)為15NiCuMoNb5）等組成，換熱面積2838.3m2；其結(jié)構(gòu)特點為殼程內(nèi)有一軸向水平隔板隔開U形管上、下兩部分，增大了殼程行程及殼程介質(zhì)的流速，從而可提高其換熱效率。

生產(chǎn)過程中，流量為141t／h的鍋爐給水在08E002殼程經(jīng)加熱后溫度由222℃升至313℃，管程內(nèi)的合成氣經(jīng)換熱后溫度由332℃降至230℃。

2 泄漏問題

2.1 廢熱鍋爐隔膜板角焊縫裂紋而致泄漏

2012年3月20日合成氨裝置檢修后重啟，在合成塔升溫階段，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)合成廢熱鍋爐（08E001）法蘭密封面10點鐘方向存在泄漏，合成回路緊急停車，工藝氣退至甲烷化系統(tǒng)后放空，檢查確認為08E001隔膜板角焊縫存在裂紋而致泄漏。為縮短檢修時間，當時進行了如下緊急處理：①立即用氮氣對合成回路進行置換，分析合格后控制合成回路壓力低于5kPa；②拆除08E001大蓋螺栓，拆下大蓋；③制作專用工具固定隔膜板，對隔膜板角焊縫進行打磨，用ERNiCr-3焊絲對角焊縫進行焊接修復(fù)，檢測合格后回裝大蓋。2012年3月25日08E001檢修完成后，氨合成系統(tǒng)恢復(fù)運行。

08E001封頭密封為隔膜板密封結(jié)構(gòu)，隔膜板與殼體封頭為角焊縫連接結(jié)構(gòu)，隔膜板不承受高壓，壓力是由外側(cè)大蓋來承受的。對于裂紋產(chǎn)生的原因，可能是長達16a的連續(xù)運行過程中多次開停車使得大蓋螺栓冷熱收縮膨脹而發(fā)生了輕微的屈服或蠕脹，螺栓松動、預(yù)緊力有所減小［2］，即隔膜板輕微的變形造成隔膜板與殼體法蘭角焊縫的強度減弱，繼而產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致高溫高壓工藝氣從裂紋中漏出。

在之后的運行中，08E001再沒有出現(xiàn)隔膜板角焊縫泄漏的情況，2018年3月系統(tǒng)大修中對08E001隔膜板角焊縫進行檢查，也未發(fā)現(xiàn)存在缺陷，表明當時緊急處理的效果良好。

2.2 鍋爐水漏入合成回路

自2012年以來，合成氨裝置多次開停車過程中出現(xiàn)給水預(yù)熱器 （08E002） 旁路閥（TV08001）前導(dǎo)淋排出少量水的情況，經(jīng)中心化驗部門分析，其中含有磷酸根，確認TV08001前導(dǎo)淋排出的水為鍋爐給水，判斷08E001或08E002發(fā)生了內(nèi)漏，爐水漏入了合成回路中。

對比爐水泄漏前后產(chǎn)品氨的組分含量，其含水量一直都為痕量 （＜0.01%）或者未檢出，氨含量基本保持在99.9%以上，表明爐水漏量非常小，對氨合成系統(tǒng)的影響不大，故其后08E001和08E002一直處于監(jiān)控運行狀態(tài)。同時，生產(chǎn)操作中也通過盡量減少開停車次數(shù)、適當提高合成回路壓力和降低給水系統(tǒng)壓力，減小換熱器殼程與管程壓差，以避免漏點突然增大。

3 合成廢熱鍋爐及給水預(yù)熱器的檢修

針對鍋爐給水漏入合成回路，中海油化學(xué)化肥一部決定在2018年3月份系統(tǒng)大修期間對08E001和08E002進行查漏和內(nèi)部檢查，以確認其內(nèi)件完好情況。

3.1 氨合成塔建立水封

為避免08E001和08E002內(nèi)作業(yè)人員處于氮氣環(huán)境下以及空氣通過08E001和08E002人孔進入氨合成塔內(nèi)而造成氨合成催化劑中毒，檢修前需提前在合成塔出口至08E001之間的管線建立水封（如圖1中的虛線）。操作步驟如下。

（1）建立氨合成塔出口至廢熱鍋爐的水封。由于建立水封時氨合成塔處于微正壓狀態(tài)，原有高壓壓力儀表測量不準或者無法讀數(shù)，故需要臨時安裝U形管壓差計來監(jiān)測氨合成塔的壓力情況：拆除氨合成塔進出口壓差表的2個接頭（V6和V7），分別在2個接頭（V6和V7）處獨立安裝2個U形管壓差計，用來監(jiān)測氨合成塔內(nèi)的氮氣壓力，保持液位差在20～25cm水柱，對應(yīng)氨合成塔內(nèi)壓力為1.96～2.25kPa；從氨合成塔出口水平管線底部導(dǎo)淋（V5）進脫鹽水，至管線頂部的氮氣管線法蘭（V4，已拆除氮氣管線）有水溢流即可，通過此處連接的透明膠管來監(jiān)測水位高度，避免水位過高而浸沒催化劑，或者水位過低形不成液封。

（2）建立給水預(yù)熱器（08E002）至合成氣換熱器（08E003）及與TV08001相連管線的水封。建立氨合成塔出口至08E001水封后發(fā)現(xiàn)，在TV08001前導(dǎo)淋排氣時，氨合成塔壓力會同步下降，關(guān)閉導(dǎo)淋排氣則壓力停止下降，多方面排查后判斷為合成氣換熱器（08E003）內(nèi)漏，鑒于08E003不具備查漏及檢修條件，本次大修不予處理；為保護氨合成催化劑和08E001、08E002內(nèi)作業(yè)人員的安全，決定拆除08E002出口蝶閥（V2），在08E003進口側(cè)的法蘭加盲板，之后在TV08001相連管線上水建立水封，使氨合成塔及回路徹底與2臺熱交換器（08E001和08E002）隔離開來。

在氨合成塔出口管線建立水封保護氨合成催化劑是本套裝置運行22a以來的首次嘗試，國內(nèi)也沒有關(guān)于這方面的文獻或相關(guān)經(jīng)驗可以借鑒。總結(jié)實際操作情況，有兩點值得分享：①操作中應(yīng)注意盡可能降低氨合成塔的溫度，并在建立水封后盡可能維持氨合成塔壓力的穩(wěn)定，以最大限度地減少水汽的蒸發(fā)，避免靠近氨合成塔側(cè)管道內(nèi)的水汽蒸發(fā)對塔底部催化劑造成影響；②通過安裝攝像頭將2個U形管液位計畫面引至主控室，以便主控室人員對U形管壓差計液位差進行實時監(jiān)控，同時定時記錄氨合成塔催化劑各床層的溫度情況，發(fā)現(xiàn)床層溫度異常上漲要立即進行排查和處理。

3.2 檢 修

3.2.1 查漏與分析

3.2.1.1 查 漏

在檢修前期，由于與合成廢熱鍋爐（08E001）、給水預(yù)熱器（08E002）殼程相連通的轉(zhuǎn)化單元正在進行轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐更換作業(yè)，08E001和08E002殼程不具備充壓條件，無法采用常規(guī)方法對08E001和08E002進行查漏，為縮短檢修時間，特別設(shè)計加工了1套專用的查漏工具（如圖2）。查漏操作步驟具體如下：①將進氣設(shè)備的接氣口與公用站來的空氣軟管連接，確認緊固；②將進氣和排氣設(shè)備的膨脹節(jié)分別插入同一根U形管的兩端，用扳手調(diào)整壓緊螺母，使膨脹節(jié)適度膨脹；③分別調(diào)整鎖定螺母、壓緊螺母，壓緊螺母和鎖定螺母要到位，但須控制壓力不可太高，以免設(shè)備蹦出傷人；④打開進氣閥，關(guān)閉排氣閥，對U形管充壓；⑤充壓至0.1MPa后關(guān)閉進氣閥，觀察3min（保壓期間可用泡沫水對U形管管口處的膨脹節(jié)進行查漏檢驗，確保膨脹節(jié)處不漏氣），壓力不下降則認為U形管不漏；⑥打開排氣閥排氣至常壓，依次松開鎖定螺母和壓緊螺母，取出設(shè)備。實踐表明，上述查漏方法存在明顯的缺點：壓力變化較慢，小漏點難以察覺，管板的漏點無法發(fā)現(xiàn)；工作效率低，費時費力。該查漏方法可以在不具備充壓條件的情況下作為備選方案。

圖2 特制查漏工具示意圖

檢修末期，轉(zhuǎn)化單元檢修完工，08E001和08E002殼程具備充壓條件，用空氣對08E001和08E002殼程充壓至0.7MPa查漏：08E001未發(fā)現(xiàn)漏點；08E002下部進口管存在5處漏點——2根管子內(nèi)漏，3處管板與管子角焊縫有砂眼。

3.2.1.2 原因分析

給水預(yù)熱器（08E002）管子和管板發(fā)生泄漏且全部集中在下部工藝氣進口處，其原因如下：①管板下部為工藝氣進口處，溫度最高，溫度越高越容易促成結(jié)垢和發(fā)生酸性腐蝕，表現(xiàn)為管束高溫區(qū)穿孔；②管板附近局部水的流動性較差，腐蝕介質(zhì)濃度高，易形成易腐蝕區(qū)，在高溫和水流動性差共同作用下，最易發(fā)生腐蝕穿孔；③2001年1月、2002年5月和2009年5月，公用工程系統(tǒng)曾發(fā)生過3次跑酸事故，致使送至氨合成系統(tǒng)的脫鹽水pH＜5，遠低于廠控指標（pH＝9.2～10.3），破壞了換熱器列管／管板水側(cè)的Fe3O4氧化膜，且酸中混入Cl－，這些因素都會加速設(shè)備的腐蝕，尤其是在高溫區(qū)域。

對于08E002發(fā)生泄漏，卻只在開停車期間有爐水從TV08001前導(dǎo)淋流出，分析原因如下：在合成氨裝置開停車期間，TV08001基本上處于全開狀態(tài)，絕大部分合成氣經(jīng)旁路閥（TV08001）去后系統(tǒng)，08E002雖發(fā)生了內(nèi)漏，由于內(nèi)部缺少氣體流動，漏出的爐水沿著08E001和08E002之間的短連接管貼壁流下進入08E001，慢慢順著氣流經(jīng)TV08001去往后系統(tǒng)，因此TV08001前導(dǎo)淋會排出爐水；而在合成氨裝置正常運行期間，TV08001一直處于關(guān)閉狀態(tài)，幾乎不存流動氣流，08E002內(nèi)工藝氣只能順著流程方向流動進入后系統(tǒng)被液氨帶出，因此TV08001前導(dǎo)淋沒有冷凝水排出；此外，在開停車期間，給水系統(tǒng)與合成回路的壓差遠大于正常運行時的壓差，合成回路溫度以及合成氣流量也相對較低，這都是開停車期間TV08001前導(dǎo)淋更容易有水排出的原因。

3.2.2 內(nèi)部檢查、檢測與缺陷修復(fù)

3.2.2.1 合成廢熱鍋爐

內(nèi)部檢查：打開合成廢熱鍋爐 （08E001）封頭大蓋和隔膜板，發(fā)現(xiàn)殼體下部水漬印明顯，打開管箱后發(fā)現(xiàn)管板也同樣殘留有水跡，由上至下不規(guī)則地分布，進一步檢查發(fā)現(xiàn)08E001通向給水預(yù)熱器（08E002）的垂直管道內(nèi)也有水漬，這就驗證了08E002內(nèi)漏、爐水從連接管道流下來的推斷。

檢測：對08E001所有U形管進行渦流檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；對08E001的管板、筒體及封頭進行PT檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，表明08E001內(nèi)件完好。

3.2.2.2 給水預(yù)熱器

內(nèi)部檢查：打開給水預(yù)熱器（08E002）人孔封頭及隔膜板，發(fā)現(xiàn)人孔入口處附著一小片白色粉末，經(jīng)分析為磷酸鹽；拆開管箱蓋板，發(fā)現(xiàn)上層出口管板殘留較多水漬，部分地方已結(jié)出灰黃色的垢，可能是出口溫度相對低、長期水汽冷凝所致。

檢測：對08E002所有U形管進行渦流檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，但是在下部進口管內(nèi)共發(fā)現(xiàn)19顆螺栓，全部取出后確認為08E002入口伸縮節(jié)的固定螺栓；PT檢測發(fā)現(xiàn)球形封頭與筒體連接內(nèi)側(cè)焊縫整圈都存在淺表裂紋，打磨消除；RT／UT檢測發(fā)現(xiàn)球形封頭與筒體連接焊縫存在多處內(nèi)部隱藏缺陷，缺陷長5～22mm、埋藏深度28～32mm，該類缺陷無法修復(fù)。

缺陷修復(fù)：對于給水預(yù)熱器（08E002）查漏發(fā)現(xiàn)的5處漏點，2根漏管作堵管處理，3處管板與管子角焊縫砂眼清根后采用ERNiCr-3焊絲進行補焊，但修復(fù)難度大，多次出現(xiàn)裂紋；對08E002入口伸縮節(jié)缺失的固定螺栓予以補齊；08E002球形封頭與筒體連接內(nèi)側(cè)焊縫淺表裂紋打磨消除。

鑒于給水預(yù)熱器（08E002）仍存在不少難以修復(fù)的缺陷，危及設(shè)備的安全運行，計劃下次大修中對08E002進行整體更換；對于合成氣換熱器（08E003）內(nèi)漏的推斷，由于不具備查漏和檢修條件，也計劃在下次大修中進行檢查和確認。現(xiàn)階段需注意的是，要加強對08E002的監(jiān)護，同時加強脫鹽水水質(zhì)管理，避免再次發(fā)生跑酸等類似事故。

4 結(jié)束語

此次氨合成系統(tǒng)廢熱鍋爐（08E001）及給水預(yù)熱器（08E002）檢修首次采用建立水封的方式來保護氨合成催化劑以及08E001和08E002內(nèi)作業(yè)人員的安全，經(jīng)確認，08E001內(nèi)件完好，08E002存在的缺陷能修復(fù)的均予以修復(fù)處理，暫時不能修復(fù)的缺陷也列出了檢修計劃，為下次氨合成催化劑更換及08E002整體更換積累下了寶貴的經(jīng)驗。希望上述氨合成系統(tǒng)廢熱鍋爐及給水預(yù)熱器的檢修經(jīng)驗，能為業(yè)內(nèi)類似檢修作業(yè)提供一些參考與借鑒。