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高壓蒸汽發(fā)生器泄漏原因分析及改造措施

文檔作者：李波，張偉范文剛文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油吉林石化公司 2．吉林燃料乙醇公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月16日
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中石油吉林石化分公司合成
氨裝置高壓蒸汽發(fā)生器(E一0701)
為進(jìn)口設(shè)備， 制造商為意大利
RESTA公司。該設(shè)備2001年設(shè)計(jì)制
造，2003年投人運(yùn)行，從2005年開
始陸續(xù)出現(xiàn)管束內(nèi)漏現(xiàn)象。該設(shè)
備整體為立置U形管式換熱器，合
成氣走管程，鍋爐水、蒸汽走殼
程。合成氣入口和出口為組合式
結(jié)構(gòu)，管板為不可拆結(jié)構(gòu)，換熱管
布管采用內(nèi)外區(qū)方式，管板及換
熱管接頭受力狀況較好。殼程設(shè)
置雙襯筒結(jié)構(gòu)，襯筒將管束的內(nèi)
外區(qū)分開，外區(qū)下端直管段為鍋
爐給水預(yù)熱段， 內(nèi)區(qū)下端直管段
及內(nèi)襯筒上端面以上為蒸汽發(fā)生
器的蒸發(fā)段，在設(shè)備頂部為一立
式汽包。襯筒結(jié)構(gòu)增大了傳熱溫
差校正系數(shù)，使得合成氣可以被
冷卻到290℃以下。
高壓蒸汽發(fā)生器泄漏原
因分析及改造措施
李波，張偉 范文剛
(1．中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠吉林1 32021】
(2．吉林燃料乙醇公司吉林1 32021)
【摘要】合成氨裝置高壓蒸汽發(fā)生器(E一0701)為進(jìn)口設(shè)備， 自2005
年開始陸續(xù)出現(xiàn)管束內(nèi)漏現(xiàn)象。為保障裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)該設(shè)備進(jìn)
行了技術(shù)改造，取得了較好的效果。
【關(guān)鍵詞】高壓蒸汽發(fā)生器合成氨泄漏原因分析改造措施
1．1設(shè)計(jì)與操作參數(shù)見表1
1．2合成氣組成見表2
2 設(shè)備失效情況
設(shè)備投運(yùn)至今已累計(jì)發(fā)現(xiàn)十
九根換熱管內(nèi)漏失效(如圖1)，造
成合成氣(H．：N =3：1)竄進(jìn)高壓
蒸汽，雖然都進(jìn)行了焊接消漏，但
是設(shè)備的換熱效果明顯下降， 同
時(shí)給設(shè)備的安全運(yùn)行和穩(wěn)定操作
帶來(lái)很大的影響。
3 原因分析
該設(shè)備殼體為不可拆卸結(jié)構(gòu)，
李波(1 971一) 工程師，吉林省吉林市人。畢業(yè)于長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械制
造專業(yè)，現(xiàn)任中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠合成氨車間設(shè)備主任。
故無(wú)法檢測(cè)判斷管束具體的泄漏
點(diǎn)。管板端面及換熱管管頭未見
泄漏失效點(diǎn)，內(nèi)漏應(yīng)在換熱管上。
根據(jù)該設(shè)備廠商設(shè)計(jì)文件和操作
數(shù)據(jù)，現(xiàn)分析設(shè)備失效的幾個(gè)原
因。
3．1溫差應(yīng)力
該設(shè)備冷熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度
點(diǎn)存在交叉，因此在殼程設(shè)置襯
筒結(jié)構(gòu)，人為地將殼程換熱區(qū)域
分為預(yù)熱區(qū)和蒸發(fā)區(qū)。預(yù)熱區(qū)內(nèi)
鍋爐水無(wú)相變，鍋爐水側(cè)為傳熱
控制側(cè)，此區(qū)域內(nèi)換熱管壁溫接
近于鍋爐水溫度，且沿?fù)Q熱管長(zhǎng)
度方向?yàn)檫B續(xù)變化的溫度梯度；
蒸發(fā)段內(nèi)鍋爐水側(cè)膜傳熱系數(shù)遠(yuǎn)
大于管程工藝氣，此部分換熱管
壁溫接近于蒸汽溫度，致使u 形
換熱管高溫段和低溫段沿長(zhǎng)度方
向產(chǎn)生了較大溫差應(yīng)力，內(nèi)側(cè)換
熱管的熱膨脹量勢(shì)必大于外側(cè)的
伸長(zhǎng)量，為變形協(xié)調(diào)，換熱管直管
段母線將偏離原始位置，易使換
熱管泄漏。此換熱器換熱管直管
2o09舶 石油和化工設(shè)備j 39
序號(hào) 項(xiàng)目 管程 殼程
1 介質(zhì)名稱 合成氣 鍋爐水、汽
2 流量，t／h 1 54 39
3 操作溫度， oC (進(jìn)口／出口) 44O／290 187／310
4 操作壓力， MPa(G) l 5．6 10．8
5 允許壓力降，MPa 0．1 {
6 設(shè)計(jì)溫度， ℃ 470 335
7 設(shè)計(jì)壓力， MPa(G) 1 7．3 1 2
8 腐蝕裕量， Inm 3 1
9 焊接接頭系數(shù) 1 l
l0 凈重， kg 620O0
1 1 操作重量， kg 78000
組分 氫氣 氮?dú)?氬氣 甲烷 氨
mo1 ％ 58．96 l9．66 O．358 0．005 21．01
長(zhǎng)度約8米，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，換熱管與
折流板的裝配精度對(duì)換熱管的約
束較大。此溫差應(yīng)力也將作用于
換熱管與管板連接的管頭上，外
側(cè)換熱管與管板連接為雙管板結(jié)
構(gòu)，換熱管與厚管板為焊接連接，
與薄管板為脹接連接；而內(nèi)側(cè)換
熱管僅與厚管板焊接連接。兩端
不同的連接結(jié)構(gòu)造成兩端換熱管
連接強(qiáng)度與剛度的差異，換熱管
熱變形作用到管頭上的熱應(yīng)力與
壓力引起的作用力相互疊加，在
換熱管管頭處易出現(xiàn)應(yīng)力超差。
根據(jù)廠商設(shè)計(jì)文件，N4接口離換
熱管外壁太近，鍋爐水進(jìn)入預(yù)熱
4。l石油和化工設(shè)備．2o09．。
段后無(wú)緩沖空間來(lái)不及擴(kuò)散再分
布，直接沖蝕到最近的換熱管外
壁面，在此造成局部過(guò)冷低溫區(qū)，
靠近N4 接口的換熱管易產(chǎn)生失
效。
3．2循環(huán)不暢。設(shè)備操作不穩(wěn)定
蒸發(fā)傳熱為體積增大的相變
過(guò)程，一般要求殼程流場(chǎng)應(yīng)比較
暢通，便于汽泡逸出。但原設(shè)備管
束采用折流板，產(chǎn)生的蒸汽不是
自然向上流動(dòng)，使蒸汽受到壓抑，
水流分布極不均勻，引起局部換
熱管的汽化過(guò)熱。原高壓蒸汽發(fā)
生器鍋爐水主要由N4接口流入設(shè)
備，經(jīng)過(guò)預(yù)熱產(chǎn)生蒸汽，一方面致
使N4入口處換熱管局部低溫，加
劇換熱管的失效破壞。從N3接口
進(jìn)入的鍋爐水與自然循環(huán)的飽和
水混合后，通過(guò)管束底部進(jìn)入蒸
發(fā)腔時(shí)，過(guò)冷度高，致使冷鍋爐水
進(jìn)入蒸發(fā)腔后，預(yù)熱與蒸發(fā)同時(shí)
進(jìn)行，增大了設(shè)備操作的不穩(wěn)定
性
3．3鍋爐給水質(zhì)量不合格
因設(shè)備原因合成氨鍋爐給水
質(zhì)量長(zhǎng)期不達(dá)標(biāo)，鍋爐水中溶解氧
含量在30—50 g／L之間波動(dòng)，PH值
長(zhǎng)期低于7。而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求鍋爐
給水的溶解氧含量應(yīng)小于7 g／L，
PH值應(yīng)控制在8．9—9．2之間。因?yàn)?
鍋爐給水溶解氧及PH值兩項(xiàng)指標(biāo)
長(zhǎng)期不合格，結(jié)果對(duì)鍋爐水管束
外表面造成高溫氧腐蝕和酸性腐
蝕。
(1)高溫氧腐蝕。鋼鐵在不同
環(huán)境的鍋爐水中其產(chǎn)生的反應(yīng)是
不一樣的，在無(wú)氧的鍋爐水中，鐵
與水應(yīng)生成Fe，0 保護(hù)膜。該保護(hù)
膜是致密的，在金屬表面附著后，
對(duì)金屬表面起著保護(hù)防腐作用。
但當(dāng)鍋爐水中含氧后鐵與水和氧
反應(yīng)便生成了Fe 0 、FeO及Fe O
的混合物。這種混合物比較疏松，
形成不了保護(hù)膜，對(duì)金屬本身沒
有保護(hù)性。所以一旦在金屬表面
的某一點(diǎn)上發(fā)生腐蝕，就會(huì)繼續(xù)
進(jìn)行下去，形成腐蝕坑。水中的氧
含量及溫度越高，其對(duì)鋼鐵的腐
蝕速度也越快。
(2)酸性腐蝕。鍋爐搠寸金屬
產(chǎn)生酸性腐蝕的原因主要是PI-I值
控制不好，低于規(guī)定值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
規(guī)定鍋爐水PH值應(yīng)該在8．8—9．2之
間。而該裝置鍋爐水PH值長(zhǎng)期在
5-8之間波動(dòng)，這對(duì)金屬將產(chǎn)生很
強(qiáng)的腐蝕。鍋爐水顯酸性，其主要
原因一是鍋爐補(bǔ)水或凝氣器泄漏的
冷卻水中的碳酸化合物和重碳酸
化合物，受熱分解放出CO．，CO，遇
水溶解，生成HCO 一呈酸性；二是
補(bǔ)水及冷凝器泄漏冷卻水中帶有
有機(jī)物，受熱分解成碳酸物質(zhì)。當(dāng)
給水系統(tǒng)中所加氨不足以中和這
些酸時(shí)，就會(huì)對(duì)鍋爐系統(tǒng)造成酸
性腐蝕。
4 改造措施
經(jīng)有關(guān)單位充分討論，針對(duì)
本設(shè)備的特點(diǎn)，提出以下具體技
術(shù)改造方案。
4．1總體方案
整體設(shè)備采用雙管程立式u
形管式結(jié)構(gòu)，總體設(shè)備方案保持
不變，安裝圖如圖2。
具體改進(jìn)如下：
(1)蒸發(fā)段
a)增大折流板流通面積，改
善殼程循環(huán)殼側(cè)為鍋爐水汽化蒸
發(fā)過(guò)程，膜傳熱系數(shù)較大，折流板
所起的流動(dòng)強(qiáng)化傳熱作用非常有
限。一方面增大折流板開孑L直徑，
由原設(shè)計(jì)的 11改變?yōu)?13，通流
面積增加約40％；同時(shí)在折流板外
邊緣開缺口進(jìn)一步增大汽泡上升
通流面積，降低殼側(cè)循環(huán)阻力，改
善殼程循環(huán)，避免流體誘導(dǎo)振動(dòng)，
流動(dòng)更為均勻，流態(tài)分布更為穩(wěn)
定。
b)上端襯筒內(nèi)徑由 460mm
增至 600mm，增大汽、水混合物
流通截面積，減小汽、水混合物流
動(dòng)阻力，使鍋爐水循環(huán)通暢，設(shè)備
操作穩(wěn)定。
c)去掉中心12U換熱管管束
中部布管區(qū)，管板附近局部熱強(qiáng)
度高，鍋爐水中鹽分濃集速度快，
為改善管束中部運(yùn)行環(huán)境，去掉
中心12U換熱管，使管束中部排污
及時(shí)、通暢，降低管束底部鹽分濃
度。經(jīng)工藝核算，去掉內(nèi)圈12U換
熱管不影響設(shè)備的整體性能。但
為保證設(shè)備換熱面積保持足夠的
安全裕度，換熱管直管段長(zhǎng)度增
管箱 管箱內(nèi)襯筒 管板 換熱管 殼體
蒸汽發(fā)生器 2 SB 409
． 25Cr1Mo UNS N08810 2．25Cr1Mo 12Cr2Mo 1 8MnMoNbR
預(yù)熱器 2．25Cr1Mo 2．25Cr1Mo 12Cr2Mo 1 8MnMoNbR
加250mm，換熱面積保持不變。襯
筒錐殼相應(yīng)提高250mm，外部接管
位置保持不變。增加換熱管長(zhǎng)度
不影響殼程循環(huán)倍率，對(duì)設(shè)備無(wú)
任何負(fù)面影響。本設(shè)備換熱管制
管段已經(jīng)超出常規(guī)定尺，應(yīng)單獨(dú)
定長(zhǎng)訂貨，經(jīng)咨詢訂貨有保障。
(2)預(yù)熱段
增加下部鍋爐水進(jìn)口數(shù)量
(N4口由原來(lái)1個(gè)增加為2個(gè))，增
設(shè)導(dǎo)流板，降低冷鍋爐水對(duì)入口
處換熱管的沖蝕，盡量使鍋爐水
進(jìn)入設(shè)備后均勻散開，降低人口
處的局部過(guò)冷度。
(3)材料材質(zhì)
設(shè)備主要受壓元件材質(zhì)，如
表3。
(4)相關(guān)變化
增加了進(jìn)水口數(shù)量，工藝管
線需作相應(yīng)調(diào)整。
5 制造
本設(shè)備設(shè)計(jì)壓力超過(guò)1 OMPa，
屬高壓三類壓力容器。管程屬臨
氫環(huán)境，材料為鉻鉬鋼；殼程介質(zhì)
常規(guī)，但為控制殼體壁厚，殼體材
料采用高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度大于
540MPa)，因此設(shè)備制造應(yīng)制定單
獨(dú)的技術(shù)規(guī)格書，嚴(yán)格控制制造
環(huán)節(jié)，保證設(shè)備制造質(zhì)量。設(shè)備制
造的主要質(zhì)量控制環(huán)節(jié)如下：
5．1材料復(fù)驗(yàn)
用于制造設(shè)備管箱、管箱內(nèi)
襯筒、管板、換熱管、殼體、殼體
封頭等主要受壓元件的材料，必
須進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。鋼板復(fù)驗(yàn)內(nèi)容包括：
2o09．。。．石油和化工設(shè)備I 4
逐張檢查表面質(zhì)量和材料標(biāo)志；按
爐復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分；按批復(fù)驗(yàn)力學(xué)性
能、冷彎性能；鋼廠未提供鋼板超
聲檢測(cè)保證書的應(yīng)逐張進(jìn)行超聲
檢測(cè)復(fù)驗(yàn)。外協(xié)鍛件復(fù)驗(yàn)內(nèi)容包
括：逐件進(jìn)行硬度、化學(xué)成分及力
學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。
5．2關(guān)鍵零部件制造
(1)管板
管板厚度較厚，為保證管孑L
加工質(zhì)量，管孔加工采用專用深
孔加工機(jī)床，以保證管孔加工精
度。
(2)管箱
管箱采用鍛焊結(jié)構(gòu)，無(wú)縱縫，
環(huán)焊縫采用雙面焊接結(jié)構(gòu)，焊接
質(zhì)量有保證。
(3)換熱管
換熱管采用整管制成，不允
許拼接和補(bǔ)焊。換熱管組裝前必
須以2倍的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行水壓試
驗(yàn)，合格后方可使用。換熱管彎管
采用專用設(shè)備，保證彎管段的質(zhì)
量。換熱管彎管后進(jìn)行熱處理。
(4)折流板
為防止折流板上管孔對(duì)換熱
管的切割作用，折流板管孑L采用
倒圓角的措施緩解折流板對(duì)換熱
管的作用。折流板管孑L采用專用
模板，并采用專用機(jī)床加工，保證
鉆孔精度。
(5)接管
所有焊接管觜應(yīng)比設(shè)計(jì)值多
留出lOOmm，用于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整。
5．3焊接
(1)坡口表面要求
a)坡口表面不得有裂紋、分
層、夾雜等缺陷，所有坡El均機(jī)械
加工：
42 l石油和化工設(shè)繭 20o9o6
b)管箱、管板、殼體、殼體
封頭及接管的坡口表面應(yīng)進(jìn)行磁
粉或滲透檢測(cè)；
C)施焊前，應(yīng)清理坡口及母
材兩側(cè)表面20ram 范圍的氧化物、
油污、熔渣及其它有害雜質(zhì)。
(2)管板與換熱管，換熱管與
厚管板焊接，焊接接頭應(yīng)進(jìn)行磁
粉檢測(cè)+渦流檢測(cè)。外側(cè)換熱管與
薄管板脹接。
(3)管箱與管板、殼體的縱環(huán)
縫、殼體與封頭管箱與管板、殼體
的縱環(huán)縫、殼體與封頭的焊接應(yīng)
進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后消除應(yīng)力的
熱處理。坡口表面應(yīng)進(jìn)行磁粉或
滲透檢測(cè)外，焊后應(yīng)進(jìn)行100％ 射
線檢測(cè)， Ⅱ級(jí)合格，加100％ 超聲
波檢測(cè)， I級(jí)合格。
(4)最后一道環(huán)縫采用氬弧焊
打底，手工焊蓋面的焊接工藝來(lái)
保證焊接質(zhì)量。焊接檢查合格后
進(jìn)行100％ 超聲波檢測(cè)+100％磁粉
檢測(cè)。超聲波檢測(cè)I級(jí)合格；磁粉
檢測(cè)I級(jí)合格。
5．4熱處理
設(shè)備主要受壓元件采用高強(qiáng)
鋼，焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后
應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。
5_5組裝
設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼程多襯筒結(jié)
構(gòu)，管束組裝難度大；管箱帶內(nèi)管
箱且雙管板，管頭裝襯管，管箱組
裝工序多，設(shè)備整體組裝難度大。
5．6無(wú)損檢測(cè)
設(shè)備的A、B類焊接接頭(除
最后一道環(huán)焊縫不能進(jìn)行射線檢
測(cè)外)，應(yīng)進(jìn)行l(wèi) 0 0％ 射線檢測(cè)
+100％超聲波檢測(cè)，射線檢測(cè)Ⅱ級(jí)
合格，超聲波檢測(cè)I級(jí)合格。c、D
類焊接接頭進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)，
I級(jí)合格。最后一道環(huán)焊縫進(jìn)行
氬弧焊打底，手工焊蓋面的焊接
方式，局部焊前預(yù)熱、焊后熱處理；
在外觀檢查合格后，進(jìn)行超聲波
檢測(cè)+磁粉檢測(cè)，超聲波檢測(cè)I級(jí)
合格，磁粉檢測(cè)I級(jí)合格。
6 水壓試驗(yàn)
本設(shè)備管程設(shè)計(jì)壓力高于殼
程設(shè)計(jì)壓力，為了充分考核管頭
的強(qiáng)度和嚴(yán)密性，水壓試驗(yàn)過(guò)程
如下：
6．1殼程壓力試驗(yàn)
(1)壓力試驗(yàn)；
(2)氨滲透。
6．2管程壓力試驗(yàn)
管程壓力試驗(yàn)。
7 結(jié)束語(yǔ)
該設(shè)備技術(shù)改造后使用情況
較好，運(yùn)行正常。高壓蒸汽發(fā)生器
泄漏原因是多方面的，徹底消除
泄漏有待于各方面的技術(shù)攻關(guān)。
當(dāng)前主要通過(guò)規(guī)范生產(chǎn)操作，降
低生產(chǎn)波動(dòng)，盡量避免非計(jì)劃開
停車，減少生產(chǎn)波動(dòng)對(duì)設(shè)備的損
害，來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命?；厝?
? 機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊(cè)【M】．北京：中國(guó)石化出版社，2007
【2】張展．基礎(chǔ)數(shù)據(jù)【M】．北京：機(jī)械設(shè)計(jì)出版社，2008

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