合成氨二段廢熱鍋爐換熱管爆管應(yīng)急處置

張廣玉

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐是合成氨裝置的核心設(shè)備之一，利用二段爐出口高溫工藝氣熱量與高壓鍋爐水熱交換，實(shí)現(xiàn)能量高效利用。二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐長(zhǎng)期服役于高溫、壓力和腐蝕等惡劣環(huán)境中，使材料性能持續(xù)劣化，使用壽命不斷降低。雖然廢鍋的設(shè)計(jì)壽命通為20 年，但實(shí)際運(yùn)行中服役期15 年后廢熱鍋爐出現(xiàn)故障的概率增大，其中換熱管爆管是廢熱鍋爐主要故障類型之一。

論述某合成氨廠二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐換熱管爆管應(yīng)急處理及監(jiān)控運(yùn)行措施。爆管應(yīng)急處理重點(diǎn)講述工藝運(yùn)行判斷、工藝應(yīng)急停車處理、設(shè)備應(yīng)急檢修、裝置恢復(fù)開車前的要點(diǎn)等。基于設(shè)備的安全狀態(tài)、設(shè)備大修時(shí)間、裝置大修周期等分析，綜合運(yùn)用人工定期工藝數(shù)據(jù)評(píng)估、信息化數(shù)據(jù)分析報(bào)警設(shè)定、高清紅外視頻在線監(jiān)控系統(tǒng)等技術(shù)手段，制定了針對(duì)性監(jiān)控運(yùn)行措施。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某大型合成氨廠采用Kellogg Brown &Root 工藝（簡(jiǎn)稱KBR），以南海天然氣為原料、年產(chǎn)45 萬噸合成氨裝置。二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐由KBR 設(shè)計(jì)、供貨，由意大利Fbm Hudson Italia（簡(jiǎn)稱FBM）制造。

二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐屬于立式水管強(qiáng)制循環(huán)高壓管殼式換熱器[1]。高壓鍋爐水走管程，換熱管材料為SA213-T11，規(guī)格為Φ38×3.8 mm；高溫工藝氣走殼程，承壓殼程是碳鋼材料SA516-GR70，內(nèi)部帶有低硅剛玉澆注料+Inconel 601 襯里，外部有水夾套，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程

表1 基本參數(shù)

工藝氣從二段爐出來進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐，工藝氣走殼程，與管程內(nèi)的鍋爐給水換熱，產(chǎn)生高壓蒸汽。冷卻后的工藝氣約69%去高壓蒸汽過熱器。二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐有第二個(gè)出口，也稱為旁路線，是從二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐上部殼側(cè)，二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐出口之前出來，走高壓蒸汽預(yù)熱器的旁路。這樣設(shè)計(jì)是基于通過換熱器內(nèi)的氣體流量在31%（干凈）和54%（帶水垢等雜質(zhì)）之間[2]。二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐旁路溫度由TI-1340 顯示，這一旁路能彈性控制高壓蒸汽預(yù)熱期起內(nèi)蒸汽溫度和工藝氣出口溫度。TI-1340 設(shè)計(jì)值在366～331 ℃，能實(shí)現(xiàn)彈性控制高溫變換爐入口工藝氣和高壓過熱蒸汽的溫度。

2 應(yīng)急處置情況

2.1 工藝現(xiàn)象

2021 年11 月28 日，合成裝置工藝系統(tǒng)大幅波動(dòng)，高壓汽包液位、高壓蒸汽壓力大幅度下降，爐水量FIC1006 大幅上升；二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐出口主工藝氣溫度TI1335 大幅降低，二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐出口旁路工藝氣溫度TI1340 持續(xù)降低；高變爐壓差PDI1110 上漲，入口溫度、床層溫度降低；系統(tǒng)工藝?yán)淠捍蠓黾樱幻撎枷到y(tǒng)再生加熱器工藝氣溫度TI1420 大幅升高，爆管前后工藝主要參數(shù)變化見表2。判斷為二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐內(nèi)部泄漏，按指令全系統(tǒng)停車。

表2 工藝參數(shù)變化對(duì)比

2.2 注意事項(xiàng)

由于高壓鍋爐水和工藝氣系統(tǒng)壓差問題，在工藝系統(tǒng)降溫階段，高壓鍋爐水和部分蒸汽通過泄漏部位持續(xù)進(jìn)入工藝氣系統(tǒng)，對(duì)于二段爐催化劑、高變催化劑存在影響，對(duì)二段爐和二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐耐火襯里造成直接影響，需要采取以下措施防范和減少影響：①蒸汽降溫階段要全程對(duì)高溫變化爐出口冷凝液進(jìn)行檢查、排放，要關(guān)注冷凝液排放量、高壓鍋爐水進(jìn)水量、高壓蒸汽放空量等關(guān)系，可以判斷鍋爐水漏量的發(fā)展趨勢(shì)；②當(dāng)二段爐出口溫度≤320 ℃時(shí)，降低高壓汽包上水量，停運(yùn)高壓鍋爐給水泵，高壓汽包停止上水，排盡爐水；③氮?dú)庋h(huán)降溫階段全程排放冷凝水。

3 設(shè)備維修情況

3.1 查漏情況

此次查漏采取了兩種方式：①采用殼體充壓、管程刷肥皂水方式。此種方式可以快速排查確認(rèn)換熱管泄是否爆管、管—管板焊縫是否存在漏點(diǎn)；②采用管程進(jìn)水、觀察液位降方式。此種方式是基于第一種查漏完畢，對(duì)已泄漏換熱管進(jìn)行堵管的基礎(chǔ)上，對(duì)換熱管進(jìn)行一次全面查漏，其優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是無法加壓靠水位差，對(duì)于細(xì)微裂紋可能存在漏檢。

通過方式①排查后換熱管爆管一根，利用方式②對(duì)所有管程進(jìn)行全面復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)其他換熱管存在明顯泄漏。

3.2 檢驗(yàn)情況

針對(duì)二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐內(nèi)部泄漏問題，基于設(shè)備本質(zhì)安全需求，按照“應(yīng)檢必檢”的要求，對(duì)廢熱鍋爐進(jìn)行了全面的檢查，采取了以下檢驗(yàn)措施：①宏觀檢查：利用手電筒，對(duì)管—管板角焊縫、換熱管脹接區(qū)（上、下管板）、管板表面堆焊層等重點(diǎn)部位進(jìn)行檢查，宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷；宏觀檢查了廢熱鍋爐內(nèi)部鎳基合金鋼襯里，發(fā)現(xiàn)襯里板有局部變形（波浪狀、最大幅度約30 mm）；耐火澆注料檢查，發(fā)現(xiàn)澆注料在廢鍋與二段爐通道部位出現(xiàn)破損，最大損失厚度約為30 mm，二段爐爐底（拱頂磚底部支撐區(qū)域）有進(jìn)水浸泡情況，用探針檢查開裂區(qū)域未發(fā)現(xiàn)穿透性開裂，用木槌敲擊澆注料表面，未發(fā)現(xiàn)澆注料松散情形；②內(nèi)窺鏡檢查：采用內(nèi)窺鏡對(duì)換熱管內(nèi)壁進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查區(qū)域?yàn)椴槁┎襟E中確認(rèn)泄漏和疑似泄漏換熱管，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)重點(diǎn)檢查高溫區(qū)（防沖板）部位換熱管狀態(tài)。通過內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)已泄漏換熱管的斷口呈現(xiàn)環(huán)形斷口，斷口部位不規(guī)則、呈現(xiàn)鋸齒狀。在換熱管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)有局部結(jié)垢情況；③著色探傷：對(duì)廢鍋的上下管板、封頭/下管箱環(huán)焊縫內(nèi)壁進(jìn)行著色探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；④IRIS（Internal Rotary Inspection System，內(nèi)置旋轉(zhuǎn)超聲）探傷：首次應(yīng)用IRIS 對(duì)換熱管進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)換熱管存在均勻腐蝕減薄，當(dāng)前剩余壁厚最小值2.97 mm、均值3.2 mm，設(shè)計(jì)壁厚為3 mm，未發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄需要堵管。

綜上檢查結(jié)果：發(fā)現(xiàn)換熱管爆管一根，需要堵管處理；換熱管—管板角焊縫完好，換熱管內(nèi)壁存在垢層，襯里板存在變形但仍可繼續(xù)使用；耐火澆注料有泡水情形，檢查未發(fā)現(xiàn)襯里松散或脫落情形，可以繼續(xù)使用。

3.3 維修情況

根據(jù)檢查檢驗(yàn)結(jié)果，計(jì)劃對(duì)已經(jīng)明確爆管的換熱管進(jìn)行堵管處理，由于是應(yīng)急檢修，堵管實(shí)施工作由公司維保單位實(shí)施。①工藝、設(shè)備、施工人員三方確認(rèn)堵管位置和數(shù)量，在管板表面明確標(biāo)記；②采用砂輪機(jī)或拋光機(jī)對(duì)管板、換熱管等表面進(jìn)行打磨清理，呈現(xiàn)金屬光澤；③對(duì)換熱管管端、堵頭表面著色，無缺陷；④管板表面有5 mm 碳鋼堆焊層，換熱管為T11，堵頭采用15CrMo，采用異種鋼焊接，編制焊接工藝評(píng)定和焊接指導(dǎo)書；⑤堵頭結(jié)構(gòu)采用錐形結(jié)構(gòu)，插入深度不少于10 mm，先用錘子敲擊固定，然后進(jìn)行焊接作業(yè)；⑥焊接完畢后，所有焊縫著色探傷；⑦堵管工作完畢后，殼體氮?dú)獬鋲海馨灞砻嫠⒎试砼莶槁?/p>

3.4 注意事項(xiàng)

在開車階段，為了驗(yàn)證維修效果，降低次生事故風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)關(guān)注以下問題：①做好耐火澆注料的烘干，這是開車過程中重點(diǎn)關(guān)注事項(xiàng)，要提前咨詢耐火材料專業(yè)服務(wù)單位，提供烘爐曲線（圖2）；②要嚴(yán)格執(zhí)行升溫升壓曲線，嚴(yán)禁超溫超壓，尤其是高壓鍋爐水側(cè)；③將殼體底部排凝導(dǎo)淋定期打開，檢查是否存在鍋爐水泄漏；④工藝開車數(shù)據(jù)復(fù)盤，對(duì)比正常工況和開車后工況，進(jìn)行工藝偏差分析。

圖2 耐火澆注料烘爐曲線

4 監(jiān)控運(yùn)行措施

根據(jù)二段廢熱鍋爐的檢查檢驗(yàn)情況，基本判定二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐當(dāng)前沒有出現(xiàn)較大的本質(zhì)安全隱患，結(jié)合5 個(gè)月后即將裝置計(jì)劃停車大修安排，確定了對(duì)二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐不進(jìn)行抽芯檢查，對(duì)換熱管堵管后恢復(fù)生產(chǎn)。為了防范和應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的爆管問題，制定了以下應(yīng)急監(jiān)控運(yùn)行措施：①穩(wěn)定高壓蒸汽系統(tǒng)溫度、壓力，避免大幅度調(diào)整，禁止超壓、超溫操作；②嚴(yán)格控制二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐入口工藝氣溫度＜890 ℃，控制爐水指標(biāo)；③DCS增設(shè)關(guān)聯(lián)關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)報(bào)警。包含高壓蒸汽壓力PIC1018、高壓蒸汽溫度TI1550、二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐出口工藝氣溫度TI1335/1340、高變爐壓差PDI1110、水夾套上水量FI1151 及各水夾套液位情況、系統(tǒng)工藝?yán)淠毫髁縁I1062、脫碳系統(tǒng)再生加熱器進(jìn)出口工藝氣溫度TI1420/1421；④增設(shè)臨時(shí)人工報(bào)表，每班次定期定時(shí)記錄；⑤巡檢關(guān)注二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐水夾套底部溢流、頂部蒸發(fā)放空情況，如果發(fā)現(xiàn)溢流量減少、蒸發(fā)量增大等異常情況，要立即上報(bào)；⑥技術(shù)人員每周匯總運(yùn)行數(shù)據(jù)，做好技術(shù)分析，評(píng)估當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)；⑦工業(yè)大屏幕系統(tǒng)增設(shè)二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐臨時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面，設(shè)置聲光報(bào)警；⑧現(xiàn)場(chǎng)采用紅外云臺(tái)視頻監(jiān)控，對(duì)二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐進(jìn)行全天候在線紅外檢測(cè)，設(shè)置超溫聲光報(bào)警，報(bào)警信號(hào)接入工業(yè)大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐換熱管出現(xiàn)爆管，要在第一時(shí)間做好系統(tǒng)判斷和應(yīng)急處置，重點(diǎn)關(guān)注高壓鍋爐水進(jìn)入工藝系統(tǒng)所帶來的安全隱患，避免出現(xiàn)重大次生事故；要采取科學(xué)、合理的技術(shù)手段，查找故障原因并進(jìn)行消除。二段轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐自2021 年11 月恢復(fù)開車后，平穩(wěn)運(yùn)行至2022 年4 月裝置計(jì)劃停車大修。