變換裝置設(shè)備檢驗(yàn)檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題及探討

李涌泉 肖堯錢 孫愛鵬 康曉鵬 陳 昇

（1．中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2．國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 100029）

變換裝置具有高溫高壓和臨氫運(yùn)行的特點(diǎn)，介質(zhì)易燃易爆，一旦發(fā)生事故后果不堪設(shè)想。同時(shí)變換裝置損傷機(jī)理復(fù)雜且檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題非常多，國內(nèi)很多變換裝置都發(fā)現(xiàn)過影響裝置運(yùn)行的設(shè)備損傷與失效情況，是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中最危險(xiǎn)的生產(chǎn)裝置之一。比如中國石化某分公司的變換爐在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)堆焊層表面存在大量裂紋，基材對接焊縫內(nèi)部也存在多處超標(biāo)埋藏缺陷，變換系統(tǒng)不銹鋼壓力管道及容器曾多次發(fā)生腐蝕失效，對裝置長周期安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成重大威脅[1]。國家能源集團(tuán)某公司變換裝置IP蒸汽廢鍋在換熱器拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，管板滲透檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)管板與管束連接角焊縫存在大量裂紋，殼程在進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)裂紋處發(fā)生泄漏，且每次停車檢修過程中都需對其管板裂紋進(jìn)行修復(fù)，無法從根本上消除換熱器內(nèi)漏隱患[2]。中煤集團(tuán)某公司變換裝置低溫冷凝液預(yù)熱器在使用4年后發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，其546根換熱管中有176 根進(jìn)行了堵漏，嚴(yán)重影響換熱效率[3]。某廠變換爐進(jìn)出口管道和水分離器出口管道（奧氏體不銹鋼）曾在8個(gè)月時(shí)間內(nèi)發(fā)生泄漏30余次，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄漏位置存在裂紋和沙眼[4]等。

本文將結(jié)合變換裝置工藝流程、運(yùn)行特點(diǎn)及檢驗(yàn)檢測結(jié)果對裝置潛在的損傷模式進(jìn)行識別，同時(shí)通過對變換裝置檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理與分析，總結(jié)出影響變換裝置長周期運(yùn)行的因素并提出一些風(fēng)險(xiǎn)控制建議。

1 變換裝置簡介

變換裝置主要任務(wù)是將上游煤氣化裝置送來的粗煤氣中的一氧化碳通過與水蒸氣反應(yīng)部分變換為氫氣，調(diào)整粗煤氣中氫氣和一氧化碳的比例，以滿足后續(xù)合成甲醇或氨的需要。同時(shí)變換反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，可回收變換過程中產(chǎn)生的熱能，用以副產(chǎn)不同壓力等級的蒸汽或預(yù)熱鍋爐給水、洗滌水和脫鹽水等。

變換裝置工藝系統(tǒng)一般由4個(gè)部分組成：粗煤氣處理系統(tǒng)、變換氣反應(yīng)系統(tǒng)、變換氣冷卻系統(tǒng)和變換氣洗氨系統(tǒng)。

1）粗煤氣處理系統(tǒng)：來自煤氣化裝置的粗煤氣含有飽和水，夾帶有少量的煤塵粉和焦油，如進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)，易造成設(shè)備的堵塞和腐蝕，影響裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此粗煤氣處理系統(tǒng)進(jìn)一步對粗煤氣進(jìn)行水汽分離和雜質(zhì)過濾，此外本系統(tǒng)還通過粗煤氣預(yù)熱器調(diào)整粗煤氣的溫度，使其滿足后續(xù)變換氣反應(yīng)系統(tǒng)的要求。

2）變換氣反應(yīng)系統(tǒng)：經(jīng)處理后的粗煤氣進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，變換反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，第一變換爐出口溫度約為460 ℃。第一變換爐出口的變換氣經(jīng)反應(yīng)后已經(jīng)消耗了大部分水蒸氣，工藝氣中水蒸氣含量已經(jīng)不足，因此變換氣經(jīng)補(bǔ)充中壓過熱蒸汽后送入淬冷增濕器。淬冷增濕器利用變換氣的熱量汽化鍋爐給水，補(bǔ)充變換氣的水蒸氣含量，同時(shí)可降低變換氣的溫度，淬冷增濕器出口溫度為230 ℃。經(jīng)降溫增濕后的變換氣進(jìn)入第二變換爐，繼續(xù)變換反應(yīng)，出口溫度約為 350 ℃。

3）變換氣冷卻系統(tǒng)：來自變換氣反應(yīng)系統(tǒng)的變換氣溫度高達(dá)350 ℃，該部分熱量可充分回收利用，提高整個(gè)裝置的能量利用率。變換氣反應(yīng)系統(tǒng)的高溫變換氣一般分為兩股：一股返回粗煤氣處理系統(tǒng)的粗煤氣預(yù)熱器預(yù)熱第一變換爐入口粗煤氣；另一股陸續(xù)進(jìn)入不同溫度回收的廢熱回收換熱器和水汽分離器回收熱量，最后冷卻至40 ℃送入變換氣洗氨系統(tǒng)。變換氣中含有大量水蒸氣，冷凝出來的冷凝水經(jīng)收集后統(tǒng)一送下游裝置。

4）變換氣洗氨系統(tǒng)：經(jīng)變換氣冷卻系統(tǒng)冷卻后的變換氣溫度約為40 ℃，其中還含有少量的NH3，如不除去易堵塞后續(xù)的設(shè)備管道等設(shè)施。來自變換氣冷卻系統(tǒng)變換氣進(jìn)入洗氨分離塔的下部與來自塔頂部的脫鹽水逆流接觸，吸收去除變換氣中的氨。洗氨塔底部的洗氨水同變換氣冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的冷凝液一同送入下游裝置。

2 損傷模式識別

本次分析的變換裝置中最高工作壓力為6.27 MPa，最高工作溫度為460 ℃，主要工藝介質(zhì)有粗煤氣、變換氣和變換冷凝液等，其含有的主要有害雜質(zhì)有二氧化碳、氨、硫化物、氯離子等，大部分設(shè)備均采用基材加不銹鋼襯里的復(fù)合板材料。通過對變換裝置工藝流程及運(yùn)行特點(diǎn)分析識別出裝置存在腐蝕減薄、環(huán)境開裂和材質(zhì)劣化等損傷類別，潛在的損傷模式有13種[5-12]，見表1。

表1 變換裝置潛在的損傷模式

3 檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題

3.1 粗煤氣處理系統(tǒng)

粗煤氣處理系統(tǒng)主要設(shè)備有粗煤氣分離器、粗煤氣過濾器和粗煤氣預(yù)熱器等。粗煤氣分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)人孔角焊縫上存在裂紋（見圖1），裂紋經(jīng)打磨并消除；粗煤氣過濾器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)多個(gè)接管角焊縫存在裂紋（見圖2），裂紋經(jīng)打磨并消除。煤氣預(yù)熱器接管角焊縫為異種鋼焊接，表面磁粉檢測發(fā)現(xiàn)磁痕顯示，但滲透檢測卻未見異常，對表面進(jìn)行打磨后滲透檢測也發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷（見圖3）。另一煤氣預(yù)熱器在接管角焊縫外表面磁粉檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)多處裂紋（見圖4），經(jīng)打磨發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在夾渣等埋藏缺陷。

圖1 粗煤氣分離器內(nèi)部人孔角焊縫裂紋

圖2 粗煤氣過濾器內(nèi)部接管角焊縫裂紋

圖3 煤氣預(yù)熱器外部接管角焊縫穿透裂紋

圖4 煤氣預(yù)熱器外部接管角焊縫裂紋

3.2 變換氣反應(yīng)系統(tǒng)

變換氣反應(yīng)系統(tǒng)的主要設(shè)備有變換爐。見圖5，變換爐內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)不銹鋼襯里（材質(zhì)為347H）對接焊縫和接管角焊縫上均存在裂紋，見圖5（a）；外表面基材（材質(zhì)為SA387Gr11.CL2，厚度為148 mm）對接焊縫熱影響區(qū)存在裂紋，尤其是封頭與筒體連接的環(huán)焊縫，見圖5（b）；同時(shí)金相檢測過程中還發(fā)現(xiàn)變換爐的基材存在球化現(xiàn)象，見圖5（c）。

圖5 變換爐內(nèi)外表面檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題

3.3 變換氣冷卻系統(tǒng)

變換氣冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備有水汽分離器和廢熱回收換熱器。2#水汽分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)對接焊縫和接管角焊縫存在裂紋，裂紋經(jīng)打磨后消除并進(jìn)行了補(bǔ)焊修理，見圖6。3#水汽分離器內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)人孔通道上存在大量裂紋，最后對人孔通道全部進(jìn)行重新堆焊處理，見圖7。中壓廢熱回收換熱器管程（介質(zhì)為變換氣）內(nèi)部滲透檢測發(fā)現(xiàn)對接焊縫補(bǔ)焊位置再次發(fā)現(xiàn)多處裂紋，見圖8。除鹽水預(yù)熱器管程（介質(zhì)為變換氣）人孔蓋板（不銹鋼復(fù)合板）內(nèi)側(cè)存在2處點(diǎn)蝕深孔，打磨后發(fā)現(xiàn)蓋板內(nèi)部基材已發(fā)生腐蝕并形成深坑，見圖9。

圖6 2#水汽分離器內(nèi)部對接焊縫裂紋

圖7 3#水汽分離器人孔通道內(nèi)側(cè)堆焊層修理情況

圖8 中壓廢熱回收換熱器管程內(nèi)部對接焊縫裂紋

圖9 除鹽水預(yù)熱器管程人孔蓋板內(nèi)側(cè)點(diǎn)蝕深孔

3.4 變換氣洗氨系統(tǒng)

變換氣洗氨系統(tǒng)主要設(shè)備有洗氨塔、洗氨塔冷凝器和冷凝液閃蒸槽等。洗氨塔內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不僅塔盤等內(nèi)構(gòu)件腐蝕嚴(yán)重，而且洗氨塔內(nèi)部不銹鋼襯里（材質(zhì)為S32168）也發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重腐蝕，且在塔盤液相浸泡位置的襯里已經(jīng)完全被腐蝕掉，而氣相空間的襯里腐蝕情況略好，見圖10和圖11。洗氨塔內(nèi)部滲透檢測還發(fā)現(xiàn)對接焊縫和接管角焊縫存在裂紋，見圖12。冷凝液閃蒸槽內(nèi)部滲透檢測也發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖13。此外，洗氨塔冷凝器也是經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏的設(shè)備，某公司5年內(nèi)更換了3臺洗氨塔冷凝器，直至最后一次更換成石墨換熱器才解決了腐蝕泄漏問題。

圖10 洗氨塔內(nèi)部塔盤腐蝕情況

圖11 洗氨塔內(nèi)部襯里腐蝕情況

圖12 洗氨塔內(nèi)部接管角焊縫裂紋

圖13 冷凝液閃蒸槽內(nèi)部接管焊縫裂紋

4 原因分析及建議

通過對多套變換裝置進(jìn)行檢驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)，裝置存在腐蝕減薄、環(huán)境開裂和材質(zhì)劣化等共性問題，嚴(yán)重影響變換裝置運(yùn)行，在此對存在的問題進(jìn)行分析并提出一些風(fēng)險(xiǎn)控制建議以降低裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)變換裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1）變換裝置中腐蝕減薄主要發(fā)生在變換氣洗氨系統(tǒng)，在國內(nèi)很多同類裝置都發(fā)現(xiàn)這個(gè)共性問題。造成洗氨系統(tǒng)發(fā)生腐蝕減薄的主要原因是洗氨塔塔盤液相中溶解了二氧化碳、硫化氫和氨等腐蝕性介質(zhì)，液相介質(zhì)呈酸性，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生酸性水腐蝕。可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)洗氨塔鍋爐給水量或者改進(jìn)塔盤結(jié)構(gòu)和材質(zhì)升級等措施來避免腐蝕減薄問題。此外，變換裝置中廢熱回收換熱器等換熱設(shè)備普遍采用奧氏體不銹鋼管束，在運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，尤其是氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過30 mg／L，以防止管束發(fā)生腐蝕或開裂而泄漏。

2）變換裝置中環(huán)境開裂主要發(fā)生在不銹鋼設(shè)備或含不銹鋼襯里的設(shè)備，裂紋基本都分布在對接焊縫或角焊縫的焊縫和熱影響區(qū)上，具有典型的連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂特征。可以采取以下措施來避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，如選用不易敏化的材質(zhì)，如超低碳奧氏體不銹鋼、穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鎳基合金等；或在停工期間用干燥的氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，以防止接觸空氣；在停車過程中或停工后應(yīng)立即用蘇打粉溶液沖洗設(shè)備以中和連多硫酸等。同時(shí)，制造時(shí)需進(jìn)行焊后熱處理的設(shè)備應(yīng)采取合理的冷卻方式避免奧氏體不銹鋼襯里或堆焊層發(fā)生敏化。

3）變換裝置中材質(zhì)劣化主要發(fā)生在變換氣反應(yīng)系統(tǒng)，尤其是變換爐和粗煤氣預(yù)熱器等操作溫度高于440 ℃的設(shè)備，常見損傷模式有再熱裂紋、回火脆化和球化等。材質(zhì)劣化主要由高溫服役環(huán)境導(dǎo)致材料微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能發(fā)生退化，因此在設(shè)備使用過程中應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，嚴(yán)禁超溫超壓運(yùn)行。同時(shí)針對回火脆化傾向，在設(shè)備使用過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行合理的開停車工藝，防止設(shè)備因回火脆化而發(fā)生事故。

5 結(jié)束語

變換裝置是煤化工產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)裝置之一，是我國實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔利用的核心裝置，它的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，事關(guān)國家能源安全及公共安全。

變換裝置具有高溫高壓、介質(zhì)成分復(fù)雜且易燃易爆的工藝特點(diǎn)，裝置潛在的損傷模式有二氧化碳腐蝕、高溫硫化物腐蝕（氫氣環(huán)境）、氯化銨腐蝕、酸性水腐蝕（堿式酸性水）、鍋爐冷凝水腐蝕、濕硫化氫破壞、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂、球化、回火脆化、再熱裂紋和敏化-晶間腐蝕13種。

在多套變換裝置檢驗(yàn)檢測過程中發(fā)現(xiàn)存在洗氨塔內(nèi)構(gòu)件及不銹鋼襯里嚴(yán)重腐蝕，變換爐、廢熱回收換熱器和水汽分離器等設(shè)備襯里對接焊縫和角焊縫存在裂紋，以及變換爐等高溫設(shè)備基材發(fā)生再熱裂紋和球化等嚴(yán)重的共性問題。

針對已發(fā)現(xiàn)的共性問題仍有很多損傷或失效原因需要進(jìn)一步分析，以便從根本上消除變換裝置安全隱患，因此需要國內(nèi)外科研院所及使用單位等共同合作，一起研究并解決變換裝置運(yùn)行過程中存在的問題，為變換裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。