制氢转化气蒸汽发生器的内漏趋势及应对措施

郭亮(中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812)

0 引言

转化气蒸汽发生器是制氢装置的核心设备，其运行状况直接影响到装置及下游装置的正常运行[1]，一旦发生内漏故障修复很困难，只能更换新设备。近几年，在我国炼油行业同类装置生产运行过程中，出现多个制氢装置该换热器管束腐蚀泄露的问题，相关资料屡见报端[2-5]，成为困扰制氢装置长周期“安、稳、长、满、优”运行的重要瓶颈。因此E101内漏方法的判断、趋势分析以及操作建议可供同行学习和借鉴。

60000Nm3/h制氢装置转化气蒸汽发生器于2016 年5 月首次投用，至2019年12月共经历8次计划性停工与2次异常停工。其中2018年12月全厂大检修期间发现E101主要腐蚀部位在出口管板四周的小管，现象为角焊缝腐蚀减薄以及管束内部坑蚀、减薄穿孔。2019年7月为配合蜡油停工消缺，制氢装置维持40%超低负荷运行，7月25号负荷逐渐提高，至8月初转化气蒸汽发生器E101出口转化气温度快速下降、E101出口温控阀阀位逐渐上升、汽包上水量和产汽量差值逐渐变大、中变分液排水增多、中变反应器床层压降逐渐增大等现象。从首次发现E101内漏到新型换热器到货更换，一共带病运行了17个月，期间共停工检修两次，共堵小管束189根，总堵管率为46.3%(E101共408根小管)。

1 蒸汽发生器结构与流程

1.1 转化气蒸汽发生器结构形式与工况参数

60000Nm3/h制氢装置转化气蒸汽发生器0213-E-101为柔性固定管板式换热器，型号为Φ2000/Φ1600/Φ1600×15150×42/40/38，换热面积410m2，重量58.16t，由洛阳院设计，北京燕华制造，换热器管板及管束采用低合金钢15CrMoR，换热管入口管板处衬有刚玉陶瓷管及隔热衬里，壳程介质为除氧水、水蒸气，管程介质为转化气。E101管程主要在315～780℃处于临氢及甲烷、CO等高还原性气体气氛中。

1.2 工艺流程

制氢原料炼厂气与液态烃经过加氢后进行脱硫、脱氯反应，在配入3.5MPa蒸汽混合后进入转化炉，进行强吸热反应生成转化气进入转化气蒸汽发生器管程入口，在此与壳程的汽包水换热降温后进入中变反应器R104继续反应。经中温变化反应后中变气经过后续的冷却系统，将中变气温度降至25℃进入PSA装置进行氢气提纯，具体流程见图1。

图1 转化中变系统工艺流程图

2 内漏原因分析

转化气蒸汽发生器发生泄露的原因主要是高设计余量以及长期50%的低负荷运行，造成换热器小管束介质流速偏低[6]。从2016年6月首次投产到2019年12月新换热器更换，六次计划性停工以及两次异常紧急停工，对制氢转化气蒸汽发生器管束造成巨大的破坏，因换热管过长，产生的温差应力大，无法很好的吸收管束和壳体产生的轴向伸长，容易使管板及管头在停开工过程中产生裂纹。

2019年10月对E101管束冷端腐蚀产物进行XRF检测分析(表1)得知：E101隔热、耐磨材料机械强度有所下降，筒体部分保温随高温气流冲刷脱落，转化炉炉管上部催化剂Z405-4中钾碱抗积炭助剂有所流失，均在流速过低的小管束冷端积聚；其次，由于转化气蒸汽发生器处于满足金属尘化腐蚀三要素即“合金、转化气、482～816℃”环境中，造成管束15CrMoR材料的渗碳。当换热器管板处角焊缝一旦出现轻微泄露，转化气蒸汽发生器壳程的高压除氧水即进入换热器管束里，其中携带的磷酸盐、钙盐、镁盐、非饱和水蒸气，与气体中富集的氯与硫，造成管束口出冲刷腐蚀、垢下腐蚀、碳酸腐蚀、硫氯腐蚀等多种复杂的腐蚀环境，加速了换热器管束减薄穿孔。

3 内漏方法判断与趋势

3.1 水汽平衡数据监控

制氢转化气蒸汽发生器E101若发生内漏加剧，壳程3.9MPa、253℃的饱和水窜入2.8MPa、330℃管束的量将增多，造成上水量与产汽量的严重不平衡，因此水汽平衡可作为监控制氢转化气蒸汽发生器内漏的重要手段之一。2019年7～9月平衡数据如表2，当每小时泄露量达到5t/h时，泄露速度便将呈快速增长态势，此时装置应尽快着手准备停工消缺堵漏工作。

表1 管束出口垢样XRF元素种类及含量

表2 水汽平衡数据监控表

3.2 E101出口温度与温控阀阀位开度监控

E101出口温控阀TV10505一直处于自动状态，当F101出口温度波动或者内漏加剧时，温度低于TV10505设定值该温控阀阀位将自动增大。在生产运行负荷稳定、炉出口温度保持恒定的工况下，如果TV10505阀位出现大幅度的上涨，则可以判断E101内漏加剧。

3.3 中变分水罐排液阀阀位开度以及外送净化水数据监控

当E101内漏加剧时，大量饱和水窜入管束的量将增多，后路中变冷却下来的水也会增多。当制氢配汽量恒定且生产负荷稳定时，排液阀阀位开度增大以及外送净化水量的增加也是判断E101泄露加剧的手段。

3.4 中变反应器床层压差增大

在生产负荷无较大波动的工况下，如果中变反应器床层压差逐渐增大，也可作为判断E101泄露的手段。因换热器管束腐蚀泄露，E101壳程中压除氧水渗入到管束内，与高温转化气混合闪蒸析出钠、钙、钾盐等，带至后路中变反应器R104顶部床层，形成厚厚的板结层，这些盐类结块堵塞R104床层磁球以及中变催化剂，造成R104床层压降升高。

4 结语

在制氢装置生产运行过程中，如果判断出转化气蒸汽发生器有内漏趋势，应立刻着手制作新设备，因为该换热器一旦发生内漏故障非常难修复，且失效速度很快。为延长转化气蒸汽发生器使用寿命，在工艺操作方面可进行如下控制。

(1)E101管束内漏期间，在操作上尽量减少管程、壳程压差，特殊情况下可将外送3.5MPa蒸汽改放空，来降低汽包压力。操作人员应监控好转化炉出口温度避免大的波动，确保产汽量稳定。

(2)E101管束内漏期间，原则上不进行负荷调整。若必须调整生产负荷，则以≯1%(阀位)/h调整进料量和配汽量，严控工艺操作波动。

(3)E101管束内漏期间，温控阀TV10505保持手动操作以≯1%(阀位)/h进行调整。维持R104入口温度不超工艺指标，监控中变气CO含量变化情况。

(4)监控PSA产品氢化验及在线表一氧化碳数据≯10mg/m3，数据异常及时加样，加强产品监控。TV10505控制温度大副降低至280℃以下时则按方案紧急停工。

(5)减少计划性停工次数，杜绝异常停工。在停工操作方面避免大幅度的温度、压力波动，减少应力冲击造成换热器应力拉裂损坏。在每次停工检修中，换热器管束有条件尽量保证吹扫、清洗干净，减少腐蚀产物的积聚。