煤气化变换炉卸料口接管焊缝裂纹产生原因及治理措施

刘柱元(神华包头煤化工有限责任公司, 内蒙古 包头 014010)

0 引言

变换炉的工作原理：我公司的变换炉结构为立式园筒型,其内件采用的材料为0Cr18Ni10Ti，筒体直径为φ3100mm，壁厚125mm，可以根据使用要求将其壁厚适当增加，但是最多不能超过5mm。中心管内径为φ864mm，直段筒体高 10.165m。根据压力容器相关的选材原则，设计确定使用 SA387 Gr.11 Cl.2加堆焊层0Cr18Ni10Ti，解决了变换炉工作过程中常见的防腐和高温高压问题。还有，进口管端处采用环板结构的气体分布装置，该设备中所包含的类似的接管都应用嵌入式整体补强结构。

变换炉工作过程中产生的气体组分为含有18.39%的CO原料粗煤气，为了提高系统的中能量的利用效率，可以将气体先预热到265℃进入变换炉入口，然后在变换炉的分布器中进行重新分布，然后均匀流向铺有催化剂的床层。此时，水蒸气和混合气体中的CO在催化剂的作用下发生化学反应，生成H2和CO2，反应后的变换气含有3.38%CO，该气体从变化炉中心气体收集管进入，最终在变化炉的最底端的排出口排出，最终流向下游系统。

1 煤气化工艺流程的变换炉设备的特点

此变换炉在设计过程中采用轴径向内件，能够在很大程度上降低变换炉工作过程中催化剂的使用量。由于此次设计中变换炉的内径较小，所以在很大程度上降低了CO和水蒸气在流经床层时受到的阻力的大小，提高了水煤气化学反应的效率，实现了能源的节约。

2 卸料管口裂纹产生的原因

该变换炉从2010年5月份运行开始，我们生产中心严格按照变化炉的各种工艺指标要求进行操作，同时严格遵照设备保养和维护的规定，按照一定时间对其进行检查、检验、检测等。在2012年和2011年我们对该设备分别进行了两次大修，对该设备的内衬和外筒均进行了细致的检查，发现该设备卸料管口没有发生较大变化，没有出现腐蚀变薄现象，运行指标状况良好。但是在2012年10月的现场巡检人员巡检时发现卸料管口处有白色粉末，然后再由生产中心现场专业设备检查人员对其卸料口焊接位置处的白色的固体物质收集确认，并通过对该固体物质的检验和分析，最终确定它是变换炉底部的氧化铝球粉化后从变换炉内部流出。基于上述结论，公司委派专业人员对变换炉设备进行更加细致的检查，在变换炉卸料口根部位置处，发现原有焊接部位有一些裂纹，找到了泄露产生的位置，查出了出现白色粉末泄露的直接原因。但是该处产生裂纹的原因又是什么呢？

通过公司各部门人员的共同分析，产生裂纹的主要原因有设计、材质、工艺和腐蚀等几个方面的因素。由于变换炉卸料口处的管线长度较大，工作过程中液体在该处没有流动现象，尤其是在我国北方地区，水煤气在此处环境中容易产生冷凝，导致工艺气中的硫化氢气体在液态溶液中不断的溶解然后形成饱和溶液。水煤气中的H2S在液相饱和状态下以及合适的温度下(230～280℃之间)，对设备会产生很大的腐蚀作用。另外，煤质中都含有大量的S和Cl元素，遇到水蒸气后形成Cl-和S等物质，对变换炉设备卸料管口处的堆焊层造成了一定程度的腐蚀，然后进一步实现对变换炉设备本体的腐蚀。加上变换炉焊接工艺的操作过程比较复杂，产生的震动量也是比较大的，所以使焊接部位产生贯穿性裂纹的机会大大增加。后来经过设备的制造厂家技术人员及我公司相应的技术人员对现场情况的勘测，露点腐蚀是卸料管口的焊缝上产生裂纹的另一个原因，虽然卸料口底部端盖处的温度低，水媒气不会对设备本身产生腐蚀现象，但是在该设备本体的卸料口管的焊缝处，温度在260℃度左右，基本满足形成露点腐蚀的环境，产生的腐蚀现象比较严重。(露点腐蚀的原理：煤炭在和氧气剧烈反应过后，产生的氢(H2)和氧(O2)会反应产成水蒸气(H2O)，但是气化炉大部分又采用水煤浆雾化和氧气混合，这样就造成产生的工艺气中会带出很多的水蒸气。同时气化炉煤浆中所含的硫(S)燃烧后会生成二氧化硫气体(SO2)，工艺气中的少量的SO2会进一步被氧化生成三氧化硫(SO3)。三氧化硫与工艺气中的大量的水蒸气反应产成硫酸溶液(H2SO4)。含有硫酸蒸汽的工艺气露点会大大升高，当遇到设备外壳温度低于露点时，硫酸的蒸汽溶液就会在设备受热面上凝结而成含有硫酸的溶液，对设备内壁受热面产生较重的腐蚀。因为这种腐蚀是在温度较低的环境下产生形成的，所以被叫为低温腐蚀。也是因为这种腐蚀是在设备内壁受热面上结露后才发生这种腐蚀，因而又被叫做露点腐蚀。露点温度的高低的影响因素有：①燃料中的含硫量；②过剩空气系数和三氧化硫的生成量等因素有关；③气化炉内的反应温度越高过剩空气越少，水煤浆反应中硫生成的SO2被氧化成SO3的含量就越小，露点温度机会越低。

3 预处理措施

经过设备制造厂家的技术人员及我公司相关人员的共同努力，已经发现并且研究清楚了变换炉设备本身的问题，并且深入分析了卸料管口产生裂纹的根本原因，但是由于当时正处于设备运行生产期间，不可能将该设备停车检修，在这种情况下也就不能够对变换炉卸料管口缺陷部位的裂纹进行彻底改造处理，为了确保设备正常运行，我们只能先对其进行了预处理，最大限度的降低了设备的运行风险，确保设备运行的安全，具体的预处理措施如下。

(1)因为变换炉卸料管口裂纹较多，裂纹深浅情况不明，随时都有可能出现恶化，而造成不良后果，所以必须稳定变换炉的所有的运行工艺指标，避免出现指标大的波动，确保平稳操作，对变换炉设备运行的温度、压力、压差和水汽比等指标做了严格的要求，并要求每个运行班组认真记录相应的数据，并对运行状况进行交接班，避免引发设备内激烈的化学反应，确保设备运行的平稳性，从而降低设备运行的风险。

(2)变换炉卸料管因为比较长，盲端为产生化学腐蚀创造条件，同时此处与形成露点腐蚀的条件也很接近，因此为了避免产生各类腐蚀现象，而增加产生因各种腐蚀形成裂纹的因素，在卸料口焊缝处增加了保温和蒸汽伴热装置。

(3)因为变换炉卸料管口裂纹处泄漏的气体为高温、高压、易燃、易爆的工艺气体，时刻存在燃爆的风险，为避免出现意外情况，为此由人孔处接胶皮管往裙座内输送一定量的惰性气体氮气，从两方面保护现场的安全；对卸料管盲端起到了降低温度的作用，大大减少了气体在高温下产生空间爆炸的可能性，另一方面降低了裙座空间氧气的含量。为了做到万无一失，另外设置相应的警戒线对该设备一定的区域进行隔离操作，禁止无关操作的人员进到隔离区域，并且定期对裙座中可燃气体的含量进行相关检测。

(4)对当时产生的已经存在的裂纹进行临时处理，经过多次研究分析确定了处理措施为：对裂缝处进行适当的高频震荡、碾压处理，但是因为裙座内部空间受限，根本无法顺利对裂纹实施高频振荡、碾压作业，后经研究决定在裙座进行补强后再开孔，为高频振荡、碾压设备可以顺利作业提供合理的作业空间，从而完成对裙座内部空间的碾压处理，有效控制泄露现象的产生。

(5)变化炉裙座开孔处补强板焊接。由于变换炉设备的重量和体积都很大，在裙座卸料管位置处增加开孔后(对裂缝处进行高频震荡、碾压处理，因为裙座内部空间受限)，会大大降低裙座的承载界面和承载面积，导致裙座局部应力上升，从而会降低裙座开孔处的强度、钢度和稳定性，所以在变换炉设备裙座开孔的区域，先采用增加补焊补强板焊接措施进行补强，来保障裙座的承载能力不降低。

（6）变化炉卸料管处裙座局部开孔作业。经过加工制作外协单位的工作，制作出了补强板，根据施工要求进行了补强作业，先将裙座的补强圈作业顺利完成，然后对补强圈区域的合理部位进行了开孔作业。开孔大小及位置都在现场的补强圈上做了明确的标记，根据现场制定的标记，进行开孔作业，所开椭圆孔尺寸为：380×600，开完后，设备运行、振动等指标稳定，开孔取得了成功。具体的开孔施工过程如下。

封头跟裙座开孔位置之间的间距较小，在裙座的封头和开孔处之间安装上了5mm厚的石棉板，同时在裙座内补充部分氮气，其作用是：防火、隔离的作用。隔离进行过程中采用3mm后的不锈钢板代替石棉板，起到更好的保护作用。防火、隔离措施到位后，根据既定的方案采用碳弧气刨对卸料管处的开孔部位进行割沟槽，当裙座厚度剩余10mm左右时，根据检查现场的沟槽情况，沿裙座补强板的内缘进行切割操作，再采用空气等离子切割机。在这几个操作过程中，根据需要设置专门人员对半球型封头的外形等各项指标进行检查和观察，主要检测其表面温度的变化情况，只要发现其表面温度出现不断上升迹象要马上停止作业。在整个切割过程中一定要确保半球型封头表面各项指标及参数的完整性。

4 最后维修整改措施

变换炉设备的卸料管口处的缺陷经过上述几项措施的预处理后，大大提高了其运行过程中的安全性，确保了其整体运行的稳定性能。为等待大修的到来创造了很好的条件。终于等到变换炉停车，根据既定的方案进行相应的处理，具体处理步骤如下。

（1）切除卸料口接管，将变换炉设备中原卸料口处中有焊缝位置进行切割处理，并且对切口进行打磨处理。(现代的卸装催化剂都是从顶部人孔进行，卸催化剂采用真空抽引技术，从顶部抽出，完全可以圆满完成催化剂卸料任务，底部的卸料管基本成了摆设，鉴于此种情况，做出如下方案。)卸料管短节切除后，我们可以清楚的看到卸料口接管处有多条穿透性的裂纹，这更加证明设备确实存在着很大的隐患，确实需要及时对其进行修复处理。

（2）对设备本体的卸料口加强管(以下均称加强管)处进行处理。内表面堆焊层100%PT检测(符合JB/T 4730-2005 I级合格)。检测后发现加强管内表面的堆焊层有像蜘蛛网一样布满整个内表面的裂纹,而且裂纹是穿透性的，已经贯穿了整个焊缝。发现如此的裂纹后，然后利用在线微型车床将变换炉卸料管口中堆焊层中出现的裂纹进行逐步车削去除操作，找专业的维修单位及在线修口设备，最后再用磨光机对其基层表面进行打磨处理，直到所有表面裂纹被磨平。这时采用100%PT检测(符合JB/T 4730-2005 I级合格)，如果检测后仍然存在一定的裂纹现象，可以采用如下所示施工方案：

具体表面裂纹深度处理措施如下：

①对其表面进行100%PT检测合格，并1.5～3mm 补焊后再打磨光滑。

②对其表面进行100%PT检测合格，并≤1.5mm 打磨圆滑过渡。

③3～6mm 先预热(≥150℃),然后焊过渡层，过渡层焊完后对其表面进行100%PT检测合格，焊完过渡层再焊面层，面层焊完后并打磨光滑并对表面进行100%PT合格。

④对盲端进行焊接处理，将卸料管切除后，并且处理合格后，对此切口使用同样材料的盲盖进行封堵焊接，使用焊材为：跟盲板端盖材料相同的焊丝对盲盖和加强管连接处进行焊接处理，具体施工方案如下：

a.100%PT检测合格，具体部位：加强管与盲盖焊接坡口表面。

b.焊前预热温度≥150℃，采用电加热板预热，施焊层间温度用烤枪零时加热来保证，焊后立即进行局部消应力热处理(670℃±20℃×4h)(加固套和盲板盖对焊时，必须要点焊牢，氩弧焊打底、手工焊填充焊缝，确保内口平齐无错口现象。)

c.对加固套与盲板盖对接焊缝进行打磨，并圆滑过渡。

d.100%RT检测(JB/T 4730-2005 Ⅱ级)合格：焊后24小时对焊缝进行，技术等级AB级；焊缝表面进行100%PT检测合格。

e.加固套内部防腐处理。改造措施完成后，为了做到万无一失，以绝后患，对卸料口内部用304L材质的不锈钢板衬到内部，并且在衬的不锈钢板本体上开孔，对不锈钢衬与加固套之间进行注耐高温密封胶，这样处理，将工艺气或冷凝液完全和盲堵的母材部分进行了隔离，最终起到固定、防腐以及缓冲的作用，确保此部位不再出现露点腐蚀现象。

5 结语

最后卸料管切除后的改造效果有：第一，从设备角度上来看：该变换炉的催化剂每3～4年要进行一次更换，以前变换炉卸料作业需要持续进行作业，因为是在卸料管处进行，所以很容易污染现场环境，现场粉尘很多。设备改造之后，需要打开变换炉顶部半圆形封头，利用先进的真空泵专业的卸催化剂设备进行完成催化剂的装卸，现场不会造成任何污染，且装填和卸催化剂的速度都很方便。现在将卸料管改成了盲堵，运行已经一年多，改造很成功，截止发稿时，变换炉设备卸料口底部再也没有出现白色固体样物质，说明泄露点已经被完全修复，也说明施工质量很好。同时改造后的变换炉接管处不存在盲区，生产过程中水煤气不会再在此液化，就远离了露点腐蚀的条件，因此也就从根本上杜绝了对设备产生腐蚀。

第二,从工艺角度上来看，变换炉设备改造完成后，因为消除了较大的缺陷，同时将卸料管切除对设备各项指标没有产生任何影响，所以系统运行参数不用做任何调整，其他任何方面没有发生变化，同时对变换炉的操作安全性得到了较大的提高，利于其长期运行使用。

第三,从经济效益角度上来看，此次卸料口接管的裂纹一旦出现事故，设备以及配套设施带来的直接损失会十分严重，卸料管一旦出现泄漏事故，会造成单系统停车，损失会很大，因为整个装置的能力是180万吨/年甲醇，每小时的损失都很大(120吨/小时)，此次正常检修使用的时间为4天，所以经济效益相当可观。如果非正常停车，造成的停车时间会更长、处理难度会更大。所以，卸料口接管改造是很有必要的。