合成回路蒸汽发生器技术改造

李延娜，李勇

（1.兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730314）

某化肥厂合成氨装置原有2台合成回路蒸汽发生器，在使用过程中多次发生管板与换热管焊接接头泄漏、换热管腐蚀，导致整个合成氨装置频繁停车检修，给该化肥厂造成很大损失。因此在更换合成回路蒸汽发生器时，对其主体材料进行了重新选择，同时对其管板与换热管焊接结构、布管方式进行了优化，取得了良好的效果。

1 设备概述

合成回路蒸汽发生器是合成氨装置中的重要换热器，作用是把合成塔出口的工艺气冷却并副产高压蒸汽，由于其处于合成系统的前端，而且副产的高压蒸汽又作为合成回路高压蒸汽重要来源，所以其对于整个合成氨装置的稳定运行至关重要。该合成回路蒸汽发生器为DEU换热器，采用标准GB/T150设计，主要技术特性见表1，工艺气组分见表2，整体结构图见图1。

2 原因分析

该合成回路蒸汽发生器管箱筒体、管板材料为12Cr2Mo1Ⅳ，换热管材料为12Cr2Mo1。换热管采用30°布置，放射式排列，具体见图2。管板与换热管连接方式采用强度焊加贴胀，管头部位先用INCONEL600堆焊管板，再进行管板与换热管的焊接，具体见图3。

表1 合成回路蒸汽发生器技术特性

表2 合成回路蒸汽发生器工艺气组分

图1 合成回路蒸汽发生器整体结构图

图2 换热管布置图

图3 管板与换热板连接结构

该合成回路蒸汽发生器的结构存在以下缺陷：（1）管板与换热管的连接先用INCONEL600堆焊管板，再进行管板与换热管的焊接，这种连接结构不仅使管板与换热管之间的焊接成为异种钢焊接，而且使得焊缝完全暴露在高温高压的氢腐蚀环境中，失去了管板表面堆焊INCONEL600的意义。（2）存在间隙腐蚀。（3）换热管管径小，壁厚薄。（4）换热管管间距较小，布置方式不合理。

由于该合成回路蒸汽发生器的结构存在上述缺陷，导致其在高温工艺气长期冲刷的环境下，管板与换热管焊接接头处氢腐蚀严重。此外，在高温环境中热应力也较大，使得腐蚀现象更加复杂，最终表现为管板与换热管焊接接头处泄漏、换热管腐蚀等。

3 改进后技术特点

从表1、表2可以看出，该合成回路蒸汽发生器管程与壳程压力较高，且管程工艺气中H2、NH3含量较高，因此在其选材时需要考虑强度、氢腐蚀、应力腐蚀等问题。

相对于采用挠性薄管板的蒸汽发生器而言，该合成回路蒸汽发生器由于管程工艺气与壳程水蒸汽温差不是很大，入口工艺气温度也相对较低，因此采用厚管板、U型管式结构。此外，由于管程入口工艺气温度高达437℃，所以U型管束采用辐射状排列，换热管入口布置在管板中心，出口布置在管板外边缘。这样，高温气体不直接与管箱接触，保证了管箱不超温，选材更加合理，节约成本。同时，保证了管板径向应力分布均匀，降低了管箱周边的热应力，避免了应力集中现象的发生。

针对管板与换热管焊接接头泄漏的情况，采用如下连接方式：先进行管板与换热管的焊接，再对管板表面进行INCONEL600堆焊，具体见图4，这种连接结构有效保证了堆焊完成后管板与换热管的焊缝区完全覆盖在INCONEL600堆焊层下，避免应力集中同时又使管板与换热管的焊缝区免受高温氢腐蚀危害。此外，高温入口侧增加了INCONEL600保护套管，避免高温工艺气直接冲刷管头部位，降低管头部位发生高温氢腐蚀的可能，保证该合成回路蒸汽发生器能够长期稳定运行。

图4 改进后管板与换热管连接结构

原合成回路蒸汽发生器换热管的规格为φ25×2.5，换热管间距为32mm，经过重新核算，换热管热流密度较大，同时换热管管壁也较薄，导致换热管局部过热开裂，腐蚀严重。此外，考虑到该合成回路蒸汽发生器管束为不可拆卸结构，且换热管长期受管程合成气高温氧化和壳程水汽氧化的共同腐蚀，寿命较短。所以为了保证该合成回路蒸汽发生器整体使用寿命，将其换热管的规格更换为φ32×4，同时增大换热管间距，这样有效降低了换热管中工艺气的流速和热流密度，保证了换热管表面膜态沸腾的形成，达到保护换热管的效果。

4 实际应用情况

结构优化后的合成回路蒸汽发生器于2014年投用至今，使用效果非常好，任何部位都没有因管板与换热管焊接接头泄漏及换热管腐蚀而影响正常运行。后期又有类似蒸汽发生器采用同样结构，运行状况良好。

5 结语

合成回路蒸汽发生器是合成氨装置中的关键设备，关系到整个合成氨装置安全、稳定的运行。本文对合成氨装置中的合成回路蒸汽发生器管板与换热管焊接接头泄漏及换热管腐蚀原因做了详细阐述，同时针对该问题提出了合理意见，进一步优化了该合成回路蒸汽发生器，延长了其使用寿命，达到了预期效果。优化后的结构值得部分设计及制造单位参考，为类似蒸汽发生器提供借鉴。