合成氨高压废热锅炉炉管失效原因分析及改造措施
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【摘 要】合成氨高压废热锅炉为合成单元关键设备，自2005年开始陆续出现炉管泄漏现象。为保障装置的长周期运行，2010年对该设备进行了更新改造，取得了较好的效果。
中国石油吉林石化公司合成氨装置高压废热锅炉为合成单元关键设备，其作用是将合成塔送过来的15.6Mpa、440℃合成气冷却到290℃，同时将锅炉水加热产生10.6Mpa的高压蒸汽。设备为立置U形管式换热器，共计有210根U形管炉管，炉管布管采用内外分区方式，即每一根U形炉管一侧在内区，另一侧在外区。外区炉管是锅炉给水预热段，内区炉管是锅炉蒸发段。在炉管的内外区中间设置了衬筒，将预热段与蒸发段分开。设备结构如图1。
1.原设备特征参数
1.1设计与操作参数见表1
1．2合成气组成见表2
2.设备失效情况
该设备2003年6月投入运行，2005年12月突然出现炉管大量泄漏合成气现象。紧急停车后拆卸设备封头试压发现有19根炉管出现泄漏，对泄漏的炉管用堵塞堵死再焊接的方法消除了漏点。但在随后的几年里又出现了其它炉管泄漏的现象，至2010年已累计发现26根炉管泄漏失效(如图2)。虽然都进行了打堵焊接消漏，但是设备的换热效果明显下降，同时合成气窜入到蒸汽中给安全生产带来很大的威胁。
3.炉管泄漏原因分析
从几次泄漏现象上看泄漏点均不是炉管与管板的焊接接头处，分析认为泄漏点应在炉管上。我们从设备结构图以及日常操作工况条件等方面进行了分析，找到了炉管泄漏的原因。
3．1设备结构设计缺陷造成设备失效。
（1）炉管运行中存在温差应力。由于每一根炉管被分成内外两个区，在外区的炉管是锅炉水的预热段，其温度接近锅炉水温度即187 ℃；在内区的炉管是蒸发段，其温度接近蒸汽温度即310℃，这样每一根炉管内外区温差在123℃左右，内区炉管长度方向上的膨胀量比外区炉管的膨胀量大12mm左右，这势必产生很大的温差应力使炉管向外侧弯曲。炉管直管长度约8米，炉管向外侧弯曲时折流板约束着炉管弯曲，这样折流板上管孔对炉管产生“刀切”效应，长时间的作用下致使炉管局部出现漏点。
（2）汽、水混合物循环不畅通。原设备折流板开孔直径为ф11，直径较小，产生的蒸汽受到压抑不能自然向上流动，可引起偏流，造成炉管局部过热。另外原设备底部锅炉水入口只有一个且没有导流板，锅炉水进入后不能很好的分布直接冲刷预热段炉管，这也造成炉管局部温度过低因而失效。
3．2生产操作异常造成设备失效。
（1）合成氨装置从2003年开车到2005年生产波动较大，多次停车。每次停车都会引起废热锅炉温度急剧变化，这加大了炉管的温差应力，对炉管的泄漏起到了加速作用。
（2）锅炉水质长时间不合格，锅炉水溶解氧含量超标，PH值偏低，锅炉水对炉管外表面形成高温氧腐蚀和酸性腐蚀。
4.改造措施
由于废热锅炉存在很大的隐患，2009年工厂决定对设备进行技术更新改造。受现场实际的约束，我们与原设备国外设计单位充分讨论后提出了改造方案，总体设备方案保持不变，设备应然采用双管程立式U形管式结构，外形尺寸不变，对设备内部结构进行了优化设计。
4．1解决炉管温差应力大的问题。
（1）炉管温差应力大的部位在炉管中心布置区，该区域炉管内区在蒸发段的最中心，而炉管的外区在预热段的最外端，炉管的温差最大，也最容易失效。所以改造后把该区域内的12根U形炉管取消，减小由于温差应力造成炉管失效的机率。为了保证换热面积不变，炉管直管段长度增加了250mm。
(2)把锅炉下部锅炉水进口由一个增加到两个成对称布置，同时增设了导流板。这样就使得锅炉水能均匀的进入到设备内也减少了锅炉水对炉管的直接冲刷，降低了炉管的过冷度。
4.2解决循环不畅的问题。
（1）首先把折流板开孔直径由ф11扩大到ф13，增加了流通面积40%，其次在折流板边缘开缺口，使气泡更容易上升，降低循环阻力，避免炉管震动减少折流板对炉管“刀切”效应。
(2)将衬筒直径由ф460扩大到ф600，增大流通截面积后，减小了汽、水混合物流动阻力，使锅炉水循环通畅，设备操作稳定。
5.制造
设备改造方案已定，但设备制造质量对以后设备的运行影响巨大。本设备设计属高压三类压力容器，材质特殊，因此设备制造应制定单独的技术规格书，严格控制制造环节，保证设备制造质量。如为了防止折流板对炉管的“刀切”效应，折流板的管孔要倒圆角；管板与炉管焊接接头应进行磁粉检测和涡流检测；焊接时应进行焊前预热，焊后应进行热处理；设备焊缝应进行100％ 射线检测， Ⅱ级合格，加100％ 超声波检测， I级合格。设备结构复杂，双管板、衬筒结构、管箱带分布器、管头装套管，组装工序多、难度大，因此组装前要制作好专用的组装工具。
6.生产工艺指标优化
生产工艺指标与操作的稳定性对设备长周期稳定运行起着关键的作用，因此我们在对设备进行更新改造的同时也对生产工艺指标进行优化，加强了操作的稳定性。
（1）对锅炉水除氧器进行改造，改造后锅炉水水质合格，溶解氧含量由原来的30—50g／L降低到7g／L，PH值由原来5-8之间稳定在现在8.9—9.2之间。
（2）规范生产操作避免装置非计划停车，保证操作的稳定性，装置的运行周期由前几年的三四十天延长到了近三百天，实现长周期稳定运行。
7.结束语
该设备更新改造后2010年投入使用至今情况较好，运行正常。该废热锅炉泄漏原因是多方面的，有设备本身的原因也有操作的原因，所以除了对设备进行技术改造外，还要通过规范生产操作，尽量避免非计划开停车，减少生产波动对设备的损害，来延长设备的使用寿命。
参考文献
[1]机械设计通用手册[M].北京:中国石化出版社,2007
[2]张展.基础数据[M].北京:机械设计出版社,2008
作者简介
李波（1971 —），男，吉林省吉林市人。1994年毕业于长春大学机械制造专业，现任中国石油吉林石化公司化肥厂车间设备主任，高级工程师。