基于大型化工設備的核心裝置缺陷技術改造與工藝優化

摘 要：3052大型化工裝置中的鍋爐給水預熱器是一臺比較關鍵的換熱器，但由于設備存在的制造缺陷和設計缺陷，致使換熱面積的不足，導致蒸汽產量不夠，裝置無法滿負荷生產。通過采用超長單根換熱管，中間無焊縫技術，減少中心拆流板距離，增加折流擋板的重疊面積，在旁路擋板的邊緣之間增加密封條等技術，對預熱器結構進行改進和優化，達到增加換熱面積的目的，在新設備制造中，采取了對管板堆焊層進行改進等有效的制造工藝，避免了埋藏缺陷的出現，達到了優化和改進的目的，新設備投入運行后，一直運行穩定，效果良好。

關鍵詞：化工裝置；鍋爐給水預熱器；換熱管；折流擋板；密封條

中圖分類號：TQ050

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0130-03

Technology transformation and process optimization of core devicedefectsbased on large chemical equipment

MENG Fuxiang

（CNOOCFudao Co.，Ltd.，Dongfang 572600，Hainan China

）

Abstract：The boiler feed water preheater in the 3025 large chemical plant is a relatively critical heat exchanger.However，due to the manufacturing and design defects of the equipment，the heat exchange area is insufficient，resulting in insufficient steam output，and the device cannot produce at full capacity.The structure of the preheater is improved and optimized by using the technologies including ultra-long single heat exchange tube without weld in the middle，reducing the distance of the center disconnecting plate，increasing the overlapping area of the baffle plate，adding sealing strips between the edges of the bypass baffle plate，and so on，to increase the heat exchange area.In the manufacture of new equipment，the effective manufacturing process such as improving the surfacing layer of tube plate was adopted to avoid the appearance of buried defects and achieve the purpose of optimization and improvement.After the new equipment was put into operation，it had been running stably and the effect was good.

Key words：chemical device;boiler feedwater preheater;heat exchange tube;baffles;sealing strip

大型化工裝置中的鍋爐給水預熱器（08-E002）是合成回路的核心設備，為雙程（管程/殼程）高壓的大型換熱器，具有高溫、高壓、高氫腐蝕的特點。采用U管換熱器，水平布置，在運行過程中，發現換熱能力不足，并且存在內漏和埋藏缺陷，嚴重影響了裝置的蒸汽產量，導致蒸汽用戶用汽緊張。

隨著國際能源價格大幅升高，國內氮肥價格的低迷，環保要求越來越高，公司迫切希望提高產能，降低裝置能耗，以此來降低產品價格，但限于鍋爐給水預熱器換熱能力的不足以及存在制造缺陷，無法提高產能，鍋爐給水預熱器換熱已成為制約裝置提高產能的技術瓶頸。

為了徹底解決這個技術瓶頸，決定對設備進行改造，公司決定在2018年成立鍋爐給水預熱器改造項目組，組建了項目技術團隊，并撥出了專門的預算，經過廣泛地技術交流，決定采用增加折流擋板的重疊面積，在旁路擋板的邊緣之間增加密封條等技術，對預熱器結構進行改進和優化，達到增加換熱面積的目的，在新設備制造中，采取了對管板堆焊層進行改進等有效的制造工藝，避免了埋藏缺陷的出現，達到了優化和改進和 增加換熱面積的目的。新設備投運后，一直運行穩定，效果良好。與制造廠一起，開展了卓有成效的技術攻關工作，2019年，改進與優化內部結構的新設備制造完畢，2020年新設備安裝完畢，投入運行。

1 設備和工藝狀況

1.1 鍋爐給水預熱器換熱能力不足

由于鍋爐給水預熱器換熱能力不足，裝置只能以80%的負荷運行，沒有發揮出裝置的最大產能。

1.2 鍋爐給水預熱器換存在制造缺陷

（1）換熱管及管板在2018年大修中空氣試漏，檢查發現5處漏點（2根管子內漏，3處管板與管子角焊縫砂眼），打磨確認是穿透裂紋，但是焊接修復中發現焊后的熱影響區反復多次出現淺表裂紋，并且焊接時有藍色火焰出現，經過同類設備歷史經驗分析，產生重復裂紋的原因是由于08E002介質氫含量較高，材質為13CrMo4-5的管板已經被氫腐蝕，材質出現嚴重裂化的情況，焊接性能變差，修復難度很大，此次檢修經過多次的反復修改焊接工藝，最終勉強完成堵漏任務［1-5］;

（2） 封頭與筒體聯接內側焊縫，在2018年大修中PT檢測發現整圈都是裂紋，經過分析，產生裂紋的原因同樣是氫腐蝕造成。檢修中打磨確認為非穿透裂紋，但是打磨的裂紋最深處為7 mm，打磨后實測焊縫最小厚度已經達到設計的最小安全厚度52 mm，鑒于以上管板在補焊中反復出現裂紋的情況，該焊縫打磨確認裂紋消除后未進行焊接補強，目前監控運行;

（3）大修中射線探傷顯示封頭與筒體聯接焊縫存在3條長度分別為25、6、10 mm的埋藏裂紋缺陷，這3處裂紋評級為Ⅳ級，為不合格。為進一步證實缺陷的情況，該焊縫再次進行了超聲探傷。經過2次探傷結果分析，確認該焊縫存在埋藏性缺陷，最嚴重的缺陷長22 mm，埋藏深度為28～32 mm；其余部位缺陷長度為5～15 mm不等，缺陷埋藏深度為28～32 mm，缺陷自身高為1～2mm。這條焊縫整體評級為Ⅱ級，為不合格。經過具有長期修復壓力容器經驗的協作單位建議，該焊縫同樣存在嚴重氫腐蝕，埋藏缺陷無法進行挖補、修復，只能監控運行;

（4）經過以上的檢修過程，結合設備壽命情況綜合分析，3052大型化工裝置的鍋爐給水預熱器運行22年，因為受到氫腐蝕，內部材質已經出現嚴重的劣化現象，換熱管、管板、筒體等部位長期在高溫（溫度320 ℃）及交變應力的工作環境下，焊縫容易出現裂紋，并會有擴大化的趨勢，此次檢修雖然針對性采取了修復措施，但是設備老化的現狀也只能監控運行;

（5）預熱器是3052大型化工裝置合成回路的關鍵設備之一，介質為合成氣，具有高溫、高壓、易燃、易爆的高危特性，經過2018年的檢測的評估，設備已經接近使用壽命周期，如果材質進一步劣化產生較大的穿透性裂紋，大量的高壓可燃氣外泄，會造成區域性爆炸的惡性事故，就目前材質缺陷不具備再修復能力，新設備15個月制造周期，會導致3052大型化工裝置停產近20個月的困境，因此，及時啟動更新改造計劃，對該設備進行整體更新是很有必要的;

（6）停車時換熱管大量泄漏會導致后系統壓縮機系統進水及合成塔觸媒進水，造成嚴重的設備事故。

1.3 工藝技術參數

鍋爐給水預熱器（08-E002） 進口設備，是專門為3052大型化工裝置廢熱回收系統設計的一臺廢熱回收設備，來自氨合成塔（08-R001）出口的合成氣（400 ℃，10.3 MPa ），以一定的速度依次通過合成廢鍋爐（08-E001），冷卻后進入鍋爐給水預熱器（08-E002）， 將來自汽包223 ℃鍋爐給水，加熱到 314 ℃，而合成氣自身溫度由336 ℃降到231 ℃，再進入到下一道工序，鍋爐給水預熱器工藝參數見表1。

2 改造方案設計和改造工藝

2.1 根據設備的結構特點

有2種方案可供選擇，經過綜合分析，由于3052大型化工裝置設備現場安裝空間限制，只能利用原設備地基基礎，無法通過增加換熱管數量，加大設備外形尺寸的方法來增加換熱面積，只能對設備結構進行優化改進，來達到增加換熱面積的目的，最終選擇了方案2作為本次鍋爐給水預熱器的方案，見表2。

2.2 部件改造優化

2.1.1 設備的結構特點

該設備為大型雙程高壓的U形管換熱器，換熱面積2 838.3 m2，換熱管束1 760根U管。單根管超長近28 m，中間有管束對接焊接。管子很細，小口徑，對接焊，換熱管共1 760根，也就是存在3 520個管子與管板焊接的接口，很難保證焊接后其內表面的平滑滿足要求。管板小管深孔鉆，鉆頭易斷，深孔易偏心，制造難度非常大，厚管板（厚度445 mm）設計。

2.1.2 技術改造的工藝優化

（1）采用超長單根換熱管技術，中間無焊縫，長度達25 m。U形換熱管原設計2根換熱管對接焊組對成的，材質為13CrMo4-5，改造后，U形管是無對接焊縫，減少了泄漏的風險。U形換熱管直段長度由12.5 m縮短到11.095 m.設備長度由16.5 m縮短為15.3 m，設備質量由104.9 t減小到100 t［6-9］;

（2）通過采用減少中心拆流板距離，增加折流板的重疊面積的方法 。將拆流板的間距由850 mm減小到380 mm，折流板的數量由13塊增加到26塊［10-11］;

（3）通過增加折流擋板的重疊面積，來增加換熱面積。優化前，邊緣折流板與中心折流板的接合面是平齊的；優化后，邊緣折流板與中心折流板的接合面是重疊的［12-14］;

（4）采用在旁路擋板的邊緣之間增加密封條技術。優化前，殼體分程隔板沒有密封條，工藝氣容易走旁路，熱效率低；優化后，殼體分程隔板增加密封條，減少了工藝氣容易走旁路，大大增加了換熱熱效率［15-17］;

（5）對管板進行堆焊層英科鎳合金層對管板進行堆焊層英科鎳合金層。原設計管板外側無堆焊層，換熱管與管板采用角焊縫聯接，由于管板材質是13CrMo4-5，是低合金鋼，抗氫腐蝕能力較差，因此，出現角焊縫砂眼，漏工藝氣現象。改造中，對管板外側增加了厚為8 mm耐腐蝕堆焊層，材質為INCOLOY600，是英科鎳基合金，抗高溫氫腐蝕能力較強，換熱管與管板采用沉孔角焊縫聯接，有效地避免了工藝氣對管板的腐蝕［18-20］。

3 結語

在新的鍋爐給水預熱器的設計制造過程中，運用超長單根換熱管技術，中間無焊縫，長度達25米，有效的減少了焊縫泄漏;采用減少中心拆流板距離，增加折流板的重疊面積的方法，來增加工藝介質的熱交換效率;通過增加折流擋板的重疊面積，來增加換熱面積;采用在旁路擋板的邊緣之間增加密封條技術，減少工藝介質走旁路等措施，對設備結構換熱管束及相關折流板進行大幅優化布置，對管板進行堆焊層英科鎳合金層，減少工藝介質對管板的腐蝕，成功地解決了鍋爐給水預熱器08E002存在的換熱能力不足、存在埋藏缺陷等問題，使得設備性能明顯提升，達到了優化和改進的目的。解決了制約生產裝置的瓶頸，為產能提升創造了有利的條件，降低了裝置能耗，提高了產品的竟爭力。

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收稿日期：2023-06-15；修回日期：2023-09-20

作者簡介：蒙福祥（1967-），男，高級工程師，主要從事合成氨裝置設備管理與維護；E-mail：mengfx9159@163.com。

引文格式：蒙福祥.基于大型化工設備的核心裝置缺陷技術改造與工藝優化［J］.粘接，2023，50（11）：130-132.