關於甲醇合成塔内漏問題的探讨

關鍵詞：參(cān)數，缺陷檢測(cè)，裂紋，應力，原因，處理，措施

1引言

    對於(yú)化工生産企業來說，其關鍵設備運行的穩定性、可靠性及高效性是企業生存的關鍵。甲醇生産裝置中，甲醇合成塔作爲該裝置的核心關鍵設備，一旦出現故障，将影響整個系統的運行，並(bìng)且該設備加工制造難度大，周期長，價格昂貴。某甲醇裝置甲醇合成塔爲三台並(bìng)聯合成塔，其中一台於(yú)2000年6月份投用，該合成氣反應器是管殼式的，銅基催化劑裝在管程中，合成氣在管程中與銅基催化劑接觸，發生反應後生成甲醇。殼程爲鍋爐水，用於(yú)移走管程内的反應熱，同時副産蒸汽。該塔在使用過程中從汽包不凝氣在線監控中取樣發現有CO氣體，多次取樣分析判斷該塔發生内漏。該塔在檢修中發現管闆角焊縫及基層存在多處裂紋缺陷，列管渦流檢測發現12根列管存在不同程度的外壁缺陷。

2甲醇合成塔參數及情況介紹

見表1。

    甲醇合成塔列管材質爲SAF2205雙相不鏽鋼，共有列管2292根；列管長(zhǎng)度7m，列管規格Ф44×2mm。管闆基層(céng)厚度70mm，材質爲20MnMoNi55，過渡層(céng)E309L焊絲堆焊2mm，面層(céng)E308MoL堆焊5mm。

3缺陷檢測情況

    在合成塔發現存在内漏現象後，組織進行催化劑扒卸查漏。合成塔殼程水壓試驗至2.8MPa時發現上管闆有兩處洩漏點，其中一處爲列管角焊縫裂紋，一處爲管闆堆焊層砂眼。對於(yú)管殼式設備的管闆、管闆角焊縫及列管採(cǎi)用的無損檢測手段有表面檢測、磁粉、射線、渦流檢測等手段，鑒於(yú)本合成塔結構及材質的特殊性，爲更加全面的發現設備缺陷，首先對管闆進行100%PT檢測，檢測結果發現1處裂紋，12處疑似氣孔（微缺陷可不做處理）。對於(yú)列管採(cǎi)用渦流檢測結合内窺鏡表面檢測的手段進行檢測，檢測結果見表2及圖1。

    對於(yú)水壓試驗發現洩漏的兩處缺陷及PT檢測(cè)發現的一處裂紋缺陷，用手動砂輪打磨後發現兩處管闆裂紋爲列管角焊縫開裂，打磨至3mm深度左右，裂紋消失。而管闆砂眼經表面打磨後發現埋藏多處裂紋，表面堆焊層7mm打磨掉之後發現在管闆基層仍存在大量的裂紋缺陷。

4原因分析

    對於(yú)上述的缺陷情況結合設備(bèi)的使用狀态進行綜合的評價分析，導緻合成塔出現多處缺陷的原因有以下幾點。

（1）長期運行造成的疲勞開裂。疲勞開裂通常發生在幾何形狀不連續處等易發生應力集中的位置。這台合成塔已經連續使用近20年時間，管闆角焊縫長期受到壓力波動、溫度變(biàn)換、沸騰鍋爐水沖擊等外載荷的反複作用，尤其是因生産波動及裝置檢修，期間發生開停車次數達數十次，溫度、壓力在裝置啓停期間都會發生大幅度的變(biàn)化，再加上管闆角焊縫處於(yú)應力集中比較嚴重的位置，因而容易造成疲勞開裂。這也是造成合成塔發生管闆角焊縫裂紋的原因之一。

（2）溫差應力作用。甲醇合成塔催化劑裝填時爲瞭(le)最大可能的提高反應效率實現産能最大化及消耗降低，一般在高出上管闆一定高度處也裝填上催化劑，用來抵消加在新催化劑升溫還原後體積的縮小造成列管内催化劑的空缺。但是因裝填不均勻或者升溫還原過程體積變(biàn)化存在差異性，造成管闆上列管之間催化劑分布不均勻，在生産過程中催化劑與合成氣反應釋放出大量的熱量，管闆上留存的部分催化劑反應熱不能及時帶走，造成局部高溫區，因溫度差異在管闆及列管之間産生不同的溫度層，因此帶來瞭(le)較大的溫差應力。這種存在的溫差應力，爲管闆角焊縫裂紋的形成奠定瞭(le)基礎。

（3）基層高強度鋼的氫脆傾向。産生氫蝕的條件主要是氫分壓、溫度、作用時間和鋼的化學成分。根據著名的Nelson曲線及實際數據表明，對於(yú)碳鋼而言，隻有氫分壓在1MPa以下，或溫度低於(yú)200℃時，才不會發生氫腐蝕。管闆基層材質爲20MnMoNi55高強度耐熱鋼，材料的塑形與韌性下降，脆性上升，具備極強的氫脆傾向。甲醇合成塔介質中絕大部分爲氫氣，在長期高氫分壓及高溫反應的環境中，對設備材料發生氫腐蝕形成瞭(le)較大的危險因素。

（4）管闆結構。該設備(bèi)管闆直徑2800mm，厚度爲77mm，在生産過程中，管闆兩面受熱不均，産生一定的溫度差，且随著(zhe)厚度的增大這種溫度差異越大，産生巨大的熱應力。此外，該甲醇合成塔爲固定管闆式，筒體材質爲20MnMoNi55，列管材質爲SAF2205，兩種材料的熱膨脹系數不同，在不同的工況下因熱脹冷縮造成的應力危害極大。以上産生的因溫度變化造成的應力也是管束角焊縫發生裂紋的原因之一。

（5）設備(bèi)本體結構。甲醇合成塔換熱管規格爲Ф44×2mm，結構爲固定管闆式，共設置3層支承闆，闆間距分别爲1770mm、1720mm、1720mm。渦流檢測結果顯示列管外壁缺陷，其中50%以上的缺陷位置都是在支承闆附近。因此，列管在長期運行過程因振動造成與支承闆之間的摩擦，列管外壁發生瞭(le)局部磨損減薄，在長期作用下，給設備(bèi)使用帶來極大的安全風險。

5缺陷處理及預防措施

    根據各種檢測(cè)手段發現的合成塔缺陷，爲保證合成塔能夠繼續安全運行，對存在的缺陷按照以下方案進行返修處(chù)理。

（1）裂紋缺陷處理。第一步，先通過PT檢測確定裂紋缺陷位置及範圍；第二步，先用手電鑽在裂紋兩端鑽止裂孔後用手動砂輪機打磨裂紋，並(bìng)PT檢測確認裂紋完全消除；第三步，用石棉毯将換熱管封堵，進行焊前預熱，保證預熱溫度大於(yú)150℃，手工氩弧焊補焊並(bìng)進行消氫處理。

（2）列管減薄缺陷。第一步，確(què)定減薄列管，進行焊前清理，採用不鏽鋼專用砂輪片打磨管口周圍20mm内的污物，露出金屬光澤；第二步，上下管口採用直磨清理列管内壁，露出金屬光澤；第三步，用鑽頭在需要封堵列管内壁鑽Ф8mm的小孔，使運行過程中列管内與殼程相同，實現封堵列管在後續運行中不承受壓力同時保證内外溫度平衡；第四步，管子兩端插入堵銷，手工氩弧焊焊接角焊縫，控制層間溫度不得大於(yú)150℃。

    所有缺陷處理完畢後進行100%PT檢測，並(bìng)進行水壓試驗，確(què)保處理合格。

    從甲醇合成塔的使用及檢修過程，通過對缺陷檢測及原因分析，在設備(bèi)制造選型及使用維護上如何有效的避免出現各種缺陷，建議從以下幾點著(zhe)手。

（1）從設備(bèi)的選材方面考慮，在材料的安全使用界限内選擇抗氫腐蝕性能好的材料。從Nelson曲線可以看出鋼中鉻、钼、釩等元素的含量越高，其抗高溫氫腐蝕的性能越好。因爲這些元素是碳的穩定劑，在鋼中添加這些元素可以與碳元素形成穩定的合金碳化物，從而減小鋼的甲烷化傾向。同時，嚴格避免鋼中含有分散的非金屬雜質，氫或甲烷容易在這些位置發生聚集，從而造成金屬的脆性斷裂。此外，鋼的熱處(chù)理狀态也對抗高溫氫腐蝕有很大的影響。在設備(bèi)制造過程中，鋼闆的正火及焊後熱處(chù)理的質量也是影響設備(bèi)發生氫緻裂紋的重要因素。

（2）該合成塔管束與管闆的連接形式採(cǎi)用強度焊+貼漲，這種結構使列管角焊縫處於(yú)高溫區，容易受到熱沖擊而産生裂紋。建議採(cǎi)用深孔焊，這種結構将焊縫埋藏與低溫區，減少熱沖擊的影響。

（3）合理的工況運行控制。在使用過程中保持運行穩定，避免氣量、溫度、壓力出現大幅度波動，減少殼程、管程壓差。在裝置啓停過程中嚴格控制設備(bèi)内溫度的升降溫速率，避免出現溫度變(biàn)化過快造成的溫差應力。

（4）採(cǎi)用更爲先進合理的新型甲醇合成塔結構技術。目前選用的甲醇合成塔主要有兩種結構形式。第一種低壓甲醇合成塔採(cǎi)用列管式合成塔，列管内裝填催化劑，管間爲沸騰水，反應熱經管壁傳給沸騰水産生蒸汽。合成塔全系統的溫度條件用蒸汽壓力控制，從而保證催化劑層(céng)呈大緻等溫的曲線，這種合成塔結構在溫度控制上不可避免的存在誤讀差異，從而造成溫差應力影響合成塔的使用性能。第二種等溫甲醇合成塔採(cǎi)用盤管内沸騰水冷卻的單段等溫塔。在塔内，螺旋蛇管放置在催化劑層(céng)中，從蛇管下部加入鍋爐水，上部排出中壓蒸汽和循環水。通過水循環系統保證系統的溫度穩定，不僅能夠實現合成反應效率，也能通過等溫控制有效減少合成塔局部位置帶來的溫差應力。

6結束語

    甲醇合成塔作爲核心設備其運行安全穩定的重要性顯而易見，甲醇生産裝置一方面要選用合理的工藝路線，先進的設備制造工藝及結構選型；另一方面要做好生産過程中設備的指标控制、優化，確(què)保設備處於(yú)良好穩定的工作狀态；此外作爲生産部門在設備管理上對關鍵設備實施特殊保護，通過各種手段最大程度的實現設備裝置的安全穩定、長周期運行。

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