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            等溫變換爐不銹鋼換熱管的快速查漏和檢修

            等溫變換技術是近幾年來發展較快的一種CO變換技術,其優點是安全、經濟、操作簡便、催化劑使用壽命長,但也存在著關鍵設備———等溫變換爐結構復雜、檢修難度高、檢修時間長的缺點。新疆中能萬源化工有限公司針對2019年10月年度檢修后開車過程中出現的等溫變換爐不銹鋼換熱管內漏問題,摒棄業內常規的檢修方法,采用快速查漏和快速堵漏的方法,僅用時26h就完成了等溫變換爐2根內漏不銹鋼換熱管的查漏和堵漏,此方法快速、有效,縮短了檢修時間,保證了裝置的有效運行時間。

            新疆中能萬源化工有限公司合成氨—尿素裝置主要工序包括煤氣化、CO變換、低溫甲醇洗、液氮洗、氨合成、尿素合成。其中,煤氣化采用的是航天爐粉煤加壓氣化工藝,所產煤氣中CO含量高達61%(干基),給變換系統的設計帶來較大難度。若采用常規的絕熱變換反應器,需要4臺絕熱變換爐,工藝流程長,相應地用于回收煤氣、變換氣顯熱和潛熱的設備臺數也會增加,且回收熱能級別較多,尤其是低品位熱能較多;此外,操作中也易發生變換爐超溫的風險。而等溫變換技術是近幾年來發展較快的一種CO變換技術,其改變了原來通過變換催化劑裝填量來控制催化劑床層溫升的設計理念,利用埋在催化劑床層內部的移熱管束(副產高品位蒸汽)將催化劑床層反應熱及時移出,確保催化劑床層溫度可控,技術先進、設計合理,杜絕了變換爐超溫的風險,有效延長了催化劑的使用壽命;此外,等溫變換技術催化劑裝填量不受床層超溫限制,可在1臺變換爐內裝填大部分催化劑,從而可減少設備數量、縮短工藝流程。等溫變換技術具有安全、經濟、操作簡便、催化劑使用壽命長等優點,但同時也存在著關鍵設備———等溫變換爐結構復雜、檢修難度高、檢修時間長的缺點。等溫變換爐不銹鋼換熱管一旦出現內漏,勢必影響裝置的有效運行時間,因此,等溫變換爐不銹鋼換熱管的快速查漏和快速堵漏非常重要。

            1等溫變換爐結構及工藝流程

            .1等溫變換爐的結構

            等溫變換爐主要由汽包和變換爐構成。汽包布置在變換爐頂部,為變換爐提供移出變換反應熱的鍋爐水,同時分離汽水,蒸汽經分離水后送管網,水則循環進入變換爐。

            等溫變換爐內部主要為全徑向催化劑筐和懸掛雙套管換熱組件,結構示意如圖1。催化劑筐與爐壁有環隙,為未反應氣的進入通道,催化劑筐內、外兩側為氣體分布器,催化劑筐內裝有鈷鉬系變換催化劑;等溫變換爐中間有中心管,為反應氣排出通道。懸掛雙套管換熱組件由內管、外管、薄管板、厚管板組成;內管與外管構成雙套管不銹鋼換熱管,外套管與催化劑和反應氣體直接接觸,為換熱的主要部件;薄管板隔離水室與汽室;厚管板隔離汽室與工藝系統,為主承壓部件。等溫變換爐采用的懸掛雙套管不銹鋼換熱管可自由伸縮,可有效吸收熱應力,使用安全,但給檢維修帶來了較大困難。

            .2工藝流程

            氣體流程:未反應氣先進入徑向催化劑筐與爐壁間的環隙,徑向穿過催化劑床層,在催化劑床層內CO與水蒸氣反應生成CO2和H2,同時放出大量的熱,反應熱被分布于催化劑床層中不銹鋼換熱管內的水帶出,從而保持催化劑床層處于恒溫狀態;反應后的氣體由中心管匯集送出變換爐。水汽流程:汽包內鍋爐水由汽包底部進入變換爐水室,經薄管板分別進入各內套管,在重力作用下向下流動并與外套管內水汽換熱升溫,到達雙套管的底部后折流向上,經外套管吸收變換反應熱副產蒸汽;蒸汽出厚管板后在汽室匯集,向上進入汽包,經分離水后,蒸汽外送管網,水則循環進入變換爐。

            2等溫變換爐不銹鋼換熱管內漏情況

            2019年10月系統年度大修后開車,等溫變換爐補水后用蒸汽加熱水循環升溫,當汽包壓力升至1.5MPa時,發現汽包液位下降,打開等溫變換爐進、出口氣管道導淋閥,均發現有水,判斷等溫變換爐不銹鋼換熱管出現了內漏,立即停止升溫,將汽包壓力降至常壓,并排盡汽包和水室內的鍋爐水。據等溫變換爐進、出口氣管道導淋排出的水量分析,等溫變換爐不銹鋼換熱管內漏較大。液態水會造成變換催化劑粉化,活性組分溶于水后流失,從而導致變換催化劑活性下降甚至失活,因此必須消除內漏后才能開車。

            3內漏情況檢查及處理方案制定

            由等溫變換爐內部結構(圖1)可以看出,汽室內布滿內套管,沒有檢查和處理的空間,作業人員能進入檢修的空間只有水室。業內對于此類結構的設備可借鑒的檢修方法是:環切割開汽室爐壁,將上封頭連帶薄管板、內套管一同抽出,在催化劑床層用氮氣加壓,逐根對外套管查

            漏并處理;外套管漏點處理完畢后,回裝上封頭、薄管板及內套管,焊接汽室,完成檢修。此處理方法工作量巨大,一般用時長達1個月。為盡快處理等溫變換爐內漏問題,早日恢復生產,據等溫變換爐的結構特點,結合以往處理設備問題的經驗,制定了如下查漏和快速檢修的方案。

            .1查漏原理

            內套管和外套管構成了一個U形管,在U形管內注入水形成水封,不漏的U形管是一個完整的水封,而內漏的U形管則不是一個完整的水封;在U形管一端逐漸增加壓力,達到一定壓力后,不漏的U形管另一端會有水流出,因內漏而水封高度較低的U形管則無水流出,甚至直接漏氣。

            .2查漏方案具體實施

            將等溫變換爐溫度降至50℃以下,拆開汽室的1個出口和水室頂部人孔,將催化劑床層壓力降至常壓,從水室注入脫鹽水,直到汽室出口有水流出時,停止注水,保持2h,使內漏的雙套管液位下降。

            在汽室的4個出口加盲板封閉汽室,在其中1個盲板上安裝氮氣加入接口;在汽室逐漸加入氮氣升壓(內套管的長度為13m,計算可知需加的最高壓力p=ρgh=1000×9.807×13=127491Pa=0.127MPa),檢查人員在薄管板處觀察內套管內液位上升情況,當大部分內套管液位上升至管口時停止加壓(防止水溢出影響檢查),標記出內套管還未看到液位的點作為下一步的重點檢查對象;標記完后,繼續對汽室加壓,觀察標記的內套管何時出水,以確認是否內漏。繼續對汽室加壓并觀察標記的內套管,在汽室壓力低于0.127MPa的加壓過程中,如內套管水流完且有氣體沖出,則進一步確定漏點;當汽室壓力高于0.127MPa時,雙套管水封全部沖破,檢查結束。標記出確認內漏的2根內套管,轉為下一步的堵漏處理。上述查漏過程中,應注意做好作業人員的安全防護,防止出現氮氣窒息。

            .3堵漏方案的制定與實施

            常規的不銹鋼換熱管堵漏一般采用堵頭加焊接的方法,但等溫變換爐2塊管板間的距離只有800mm,其間無法實施焊接。據等溫變換爐的結構特點,并結合以往的設備堵漏經驗,制定了堵漏塞加固定桿(如圖2)的堵漏方案。

            將304不銹鋼棒在車床上車出上端直徑35mm、下端直徑22mm、長度100mm的楔形堵漏塞(外套管外徑為32mm),固定桿為直徑20mm、長1000mm的碳鋼圓鋼。固定桿的一端用車床車出圓球,楔形堵漏塞大頭也用車床車出一凹槽與固定桿圓球配合緊密。用角磨機磨掉內套管與薄管板的焊接焊縫,抽出內套管,擴孔至40mm,使楔形堵漏塞能穿過薄管板。在楔形堵漏塞與外套管結合面涂高溫密封膠后,放入外套管,將固定桿球形頭插入楔形堵漏塞的凹槽,用錘錘擊固定桿上端,使楔形堵漏塞嵌入外套管,以達到堵漏效果;為防止楔形堵漏塞脫出,在固定桿上端用千斤頂施加適當壓力,之后滿焊固定桿與薄管板,使楔形堵漏塞在固定桿的作用下形成牢固結構,最后割除多余的固定桿,完成堵漏。

            .4堵漏效果

            等溫變換爐不銹鋼換熱管完成堵漏后,經開車檢驗,確認檢修效果良好,再未發現明顯漏點。上述堵漏方案實施過程中,雖然楔形堵漏塞沒有與厚管板焊接,但固定桿與高溫密封膠的使用確保了堵漏效果;加之正常運行時汽包壓力高于催化劑床層壓力,即使楔形堵漏塞出現微漏,也是少量水漏入催化劑床層,這些少量的水會立即汽化成蒸汽,不會對變換催化劑造成任何影響?傮w看來,此次等溫變換爐不銹鋼換熱管內漏的排查和處理是非常成功的。

            4結束語

            實踐表明,等溫變換爐采用上述方法查漏和堵漏,可快速、有效地發現并處理等溫變換爐不銹鋼換熱管出現的內漏,整個查漏和堵漏過程總計用時26h,相較于常規的處理方法極大地縮短了排查、處理時間,可盡量減少因等溫變換爐不銹鋼換熱管內漏處理造成的停車減產損失,同時也可為此類設備的檢修積累較好的經驗。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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