转化气蒸汽发生器泄漏的修复与分析

韩 波

（中国石油辽阳石化公司，辽宁辽阳 111003）

0 引言

转化气蒸汽发生器是制氢装置工艺流程中一台非常重要的设备。工艺原料在转化反应炉中反应后，产生780～850 ℃的转化气经过转化气蒸汽发生器冷却到330～380 ℃，再进入中温变换反应器进一步反应。转化气蒸汽发生器壳层的操作压力为4.0～4.5 MPa，操作温度为230～260 ℃，介质为水与蒸汽。该设备运行工况复杂，在制氢装置中经常发生各种损伤与破坏。本文介绍某炼厂50 000 Nm3/h 制氢装置中转化气蒸汽发生器换热管泄漏原因分析与漏点修复方案。

1 设备概况

某炼厂制氢装置采用卧式结构的转化气蒸汽发生器[1]，其结构特点是操作灵活、弹性大、通过中间调温机构，温度调节范围大。在换热器入口侧内衬单层隔热衬里，为了防止气流冲刷，在衬里表面增加了Incoloy800 金属套筒，出口侧内衬单层隔热衬里。由于转化气蒸汽发生器出入口温差大，为了减小管板的温差应力、吸收壳体与换热管之间的热膨胀差、节约金属材料，管板采用柔性薄管板结构。换热管与管板的链接部位热量高，管接头及焊缝容易超温，导致其强度降低，因此在入口换热管外部增加一个保护套管，保护套管与换热管之间存在一定缝隙，有利于降低换热管内壁温度。换热管与管板连接采用强度焊加贴胀形式，强度焊使接头获得较高的链接强度，贴胀是为了消除壳层锅炉水的缝隙腐蚀（表1）。

表1 转化气蒸汽发生器主要工艺参数

该设备于2015 年7 月投用，2017 年12 月在停工过程中靠近入口管板的换热管焊口发生泄漏。在设备更换之前，在运行中发生过两次因换热管爆裂而发生泄漏。打开设备后发现前后筒体里充满水，出口侧的耐火衬里由于水侵损坏严重，已经无法使用，入口侧衬里发现明显裂缝。

2 泄漏状况

在设备停工后，将衬板与耐火衬里清除后，发现在管板左下部分有两根换热管有明显的裂纹，裂纹长度大约14 mm（图1、图2）。在图2 中裂纹的表面可以明显看出，焊口有腐蚀现象。

图1 1 号焊口泄漏

图2 2 号焊口泄漏

3 原因分析

转化气蒸汽发生器介质为转化气，主要成分有H2、CO、CO2、CH4和水蒸汽（图3）。根据管板与换热管的连接结构、介质及操作条件，分析其具体破坏原因有以下3 个方面。

3.1 焊接缺陷

转化气蒸汽发生器共有252 道一样尺寸的焊口，只有两道焊口出现裂纹，可能是这两道焊口在焊接时存在局部缺陷，随着设备运行时间的增加与现场操作条件的影响，导致裂纹产生、发展，最终开裂。

3.2 氢腐蚀与应力不均

该转化气蒸汽发生器属于高温、临氢设备，运行至近30 个月后，入口侧管板前面是单层隔热衬里。运行一段时间后，耐高温隔热衬里由于内部存在缺陷或衬里施工时与设备之间有缝隙，最终开裂。局部衬里受热不均匀的开裂，使衬里与管板中间出现空隙，无法起到隔热降温的作用。衬里前部的衬板是由多块小的衬板花焊连接，高温介质气容易穿过焊缝空隙对衬里产生冲击，加速了隔热衬里的损坏。

入口管板侧温度高，有氢气存在，该部位发生氢腐蚀。从图3 可以看出，如果隔热衬里存在缺陷，转化气可以通过保护套管与换热管中间的缝隙到达换热管的焊口处，在一定的压力与温度下，与焊缝中的碳化合成甲烷。甲烷因为其分子较大不能从钢材中逸出，积聚在晶界或夹杂物附近。随着甲烷气的增多、压力逐渐升高，最终导致裂纹和鼓包的产生。氢原子渗入到金属内部，遇到裂纹、气孔等空隙处会聚集并结合成氢分子，产生体积膨胀，导致原微观裂纹扩展。在装置停工过程中，由于局部温度高，该处热应力变化较大，在氢腐蚀和热应力共同作用下，导致换热管与管板之间的焊缝造成破坏。

图3 管板与换热管的连接结构

3.3 工艺操作条件

开工还原阶段和停工初期转化气蒸汽发生器的压差最大达到3.0 MPa，达到设备的设计条件，在此之前，转化气蒸汽发生器换热管发生过爆裂。通过观察工艺曲线，在退蒸汽与降温过程中，存在局部降温、降压速度过快现象。根据材料弹塑性力学理论，在同样的约束条件下，同一材料在高温时长生的塑性变形量越大，冷却过程产生的内部残余拉伸应力也越大[2]，降温过程中残余应力加速了裂纹的扩展。

4 现场修复经验及效果

转化气蒸汽发生器泄漏发生在冬季，为满足生产和防冻防凝要求，采取如下修复方案：

（1）将入口侧泄漏部位以下的衬板切割、衬里清除。制定焊接工艺，由于现场条件限制，采用镍基焊条，避免了消氢处理。

（2）将保护套管安装，在衬板留有衬里料灌入孔，其余部位的衬板与保护套管点焊固定，如果不焊接固定，在灌入隔热料时，可能导致保护套管位置变化，不利于其与衬板的焊接。将隔热衬里料灌入衬板与管板之间，固化后将衬板与保护套管满焊。

（3）将整个衬板的所有焊缝接口全部满焊，防止工艺气对隔热衬里的直接冲击。对出口侧的所有隔热衬里清除后，重新浇注，所有接口采用阶梯状搭接形式。在装置开工时，系统升温曲线按照衬里的烘干曲线绘制，保证衬里的使用效果。

转化气蒸汽发生器修复之后运行稳定，通过一段时间的监测，发现前后管箱温度在100 ℃左右，满足了设计要求。

5 预防处理措施

（1）保证制造质量。换热管与隔热套管数量多，保证换热管与管板的胀接质量与焊接质量。柔性管板结构的管板厚度薄，在以后的设计中可以考虑将换热管与管板采用深U 坡口或者全焊透结构。这样可以提高焊缝的强度，降低焊缝开裂的风险。

（2）衬里结构与衬板焊接型式改变。衬里可以采用双层结构，外层采用轻质、导热系数小，隔热效果好的隔热材料。内层采用密度高，耐高温冲刷与腐蚀的衬里材料。双层衬里可有效避免衬里的贯穿性裂纹，防止管板超温。衬里外部衬板所有的焊缝采用满焊，避免工艺气对隔热衬里的直接热冲击和腐蚀。

（3）加强工艺操作。在工艺操作过程中，严格控制温度、压力的变化幅度。温度变化最大不超过50 ℃/h，压力变化最大不超过1 MPa/h，这样可以避免温差应力。

（4）提高设计压差。本台转化气蒸汽发生器设计压差为3.0 MPa，在开停工期间其压差达到3.0 MPa，运行状态与设计状态一样，不利于设备长期运行。今后的转化气蒸汽发生器的设计中，将设计的压差提高到4.5 MPa 以上，就可以满足开停车时的工况。