合成氨装置一段炉炉管系统隐患处理及运行维护建议

王爱民

(中国石油独山子石化塔里木石化分公司，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

中国石油独山子石化塔里木石化分公司(简称塔石化)450 kt/a合成氨装置转化系统采用丹麦托普索传统蒸汽转化工艺(由中国成达工程有限公司据托普索工艺包完成初步设计和详细设计)。2010年3月24日一段转化炉(简称一段炉)首次点火，2010年5月5日合成氨装置成功打通流程顺利产出液氨，装置试车投产一次成功。

在当前的能源形势及社会条件下，合成氨生产必须开展节能与创新，尤其是系统出现大的隐患的情况下，其优化技改势在必行。一段炉是气头合成氨装置的龙头设备，其运行状况良好与否直接关系到合成氨装置的效能及企业的经济效益。生产过程中，塔石化若因一段炉隐患而被迫停车，造成的经济损失将达上千万元，其间接损失与影响也不小。迄今塔石化一段炉已服役超过11 a，总体运行状况较好，期间也曾出现过各种各样的问题，均得到解决或改善。

2019年12月15日，塔石化合成氨装置因保民用天然气停车，考虑到系统背压增大、压缩机组功耗增加等因素，据安排，决定在冬休过程中对一段炉催化剂进行更换，在这之前2016年一段炉催化剂进行过更换，更换后一段炉压差为216 kPa，到本次催化剂更换之前一段炉压差为330 kPa、一段炉出口气甲烷含量在12%左右(正常指标)。一段炉催化剂更换过程中，发现一段炉炉管系统存在诸多隐患，须在装填新催化剂前对一段炉炉管系统进行消缺及整改。以下就本次一段炉检修情况等作一介绍。

1 一段炉简况

一段炉共分东西两侧炉膛，每侧炉膛有120根转化管，共240根，分A、B、C、D四排烧嘴，共有360个烧嘴。炉管系统包括上集气管、上猪尾管、炉管、下猪尾管、下集气管，炉管规格为φ152 mm×14.7 mm，单根炉管长度为14 440 mm，炉管单排竖直排列；上、下猪尾管规格均为φ42.16 mm×7.94 mm。

2 一段炉炉管系统存在的主要问题

2.1 炉管内催化剂托架裂缝损坏

塔石化一段炉共有240根炉管，每一根炉管都有一个催化剂托架。2020年1月15旧催化剂全部抽出后，用窥视镜检查发现炉管内催化剂托架约有90%存在裂缝，进一步检查发现，催化剂托架损坏情况大多是圈缝断裂。当时，如果对全部炉管的催化剂托架进行更换，一是没有备件无法实施，二是炉管长期(自系统原始开车以来炉管尚未更换过)在高温下运行变形使得催化剂托架难以全部取出，若不修补，更换后的催化剂极有可能因催化剂托架圈缝损坏而掉入下猪尾管内，造成炉管堵塞而阻力增大，出现“红管”现象(即炉管超温或架桥现象)，甚至发生爆管；当时塔石化已接到春耕用肥(尿素)任务，需尽早复工以保春耕。

2.2 下集气管重锤存在断裂隐患

塔石化一段炉共有炉管240根、下猪尾管240根，炉管通过下猪尾管连接到下集气管中，下集气管共分成5组，每一组共2个重锤系统，共有10个重锤系统，重锤系统的作用是防止下集气管因重力而出现弯曲变形。

正常生产中，一段炉下集气管温度一般控制在810 ℃以下，但在应急情况下以及原料气初始投料过程中，若室内外操作人员没有协调好，外操人员投用烧嘴过快，下集气管操作温度可能达到860 ℃左右。随着塔石化一段炉服役时间的延长，炉内长期处于高温状态，不仅容易造成下集气管U型螺栓断裂且与重锤连接处熔化，失去连接固定的作用，而且重锤因下集气管U型螺栓断裂也失去其作用，造成重锤下落，起不到应有的作用，久而久之会造成一段炉下集气管失去固定而发生变形，其最大的隐患是可能因下集气管断裂而发生着火爆炸事故。本次检修过程中，将保温层拆除后发现下集气管有3个重锤系统存在断裂隐患。

2.3 部分炉管弯曲较严重且存在贴合现象

本次检修过程中，对一段炉炉膛内所有炉管进行认真检查，发现如下问题：部分炉管有一定程度的弯曲，原因是炉管与导向圆筒的间隙太小，系统开车后温度升高(一段炉烟气温度控制在1 100 ℃以下)，炉管与导向圆筒膨胀量不同，导致炉管与导向圆筒卡死，而导向圆筒焊接在炉顶板上，使炉管无法完全膨胀而造成炉管弯曲；个别炉管弯曲严重，炉管外壁有高温现象，据现场实际勘察以及测量情况，对一段炉内部分弯曲严重的炉管进行更换，共更换了10根炉管；有2根炉管(上半部偏上)存在部分贴合，生产中易因炉管受热膨胀碰撞而发生事故。

2.4 更换后的新炉管空管阻力大

一段炉内10根弯曲严重的炉管更换完成后，准备着手进行一段炉转化催化剂的装填工作，在此之前先进行每根炉管空管阻力测量。测量发现，有2根更换后的新炉管之空管阻力较大(单根炉管阻力测量值需小于整体炉管阻力平均值的5%)，不符合有关规定；经振动及专用工具敲打后，这2根炉管的空管阻力还是不符合要求，进一步检查发现，是焊接新炉管过程中使用堵管的纸张留在了炉管内。将堵管纸抽吸出来后，所有炉管的空管阻力均符合要求。

3 一段炉炉管系统问题的处理

3.1 催化剂托架裂缝的处理

催化剂托架会随着一段炉服役时间推移出现老化损坏的现象，无法在某个或少许催化剂托架出现损坏时进行全体拆装或维修，这就导致损坏的催化剂托架处会有催化剂由转化管掉入下猪尾管内，在下猪尾管内堆积而造成气体流动阻力增大，转化炉出现局部“红管”、高温乃至爆管。因此，如何在不更换或修缮催化剂托架的前提下避免因催化剂托架损坏致催化剂由转化管掉入下猪尾管内是本次检修需解决的问题。

原一段炉炉管催化剂装填状态如图1(a)，转化催化剂为Z111-6YQ型，其规格(直径×高度×孔径,下同)为16 mm×11 mm×3.5 mm，催化剂托架高度为140 mm。本次检修根据催化剂托架圈缝大小和转化催化剂的特性，在催化剂托架上改为装填同一型号(Z111-6YQ型)但尺寸不同的催化剂[如图1(b)]，其规格为16 mm×16 mm×3.5 mm，装填高度为200 mm(没有特别的规定，适应催化剂托架的高度即可)，如此一来，大颗粒催化剂不会因托架圈缝损坏而漏入下猪尾管内，在不更换已损坏催化剂托架的情况下就可将催化剂漏入下猪尾管的隐患予以消除，且本次检修所填装的大颗粒催化剂具有孔隙大、堆密度大等特性，在一定程度上可减小炉管阻力。简言之，此举可避免更换催化剂托架的高成本和装置的停产损失，节省大量的人力物力，且可在一定程度上减小炉管阻力。

图1 一段炉炉管结构及催化剂装填示意图

2020年2月28日塔石化合成氨装置重启，经过2 a的连续运行，一段炉压差从投运时的216 kPa缓慢升至如今的266 kPa左右，没有出现一段炉压差突然增大的现象。

3.2 下集气管U型螺栓处理

据设计装配图，下集气管U型螺栓的材质为20#钢；从设备资料中查到，20#钢的推荐使用温度范围为-20～425 ℃，允许的上限温度为430 ℃，而一段炉内下集气管U型螺栓处常处于高温状态，其材质不符合实际生产所需。经查阅相关资料，决定将下集气管U型螺栓材质改为0Cr25Ni20(又称2520双相不锈钢，用于制造耐高温炉管)。检修中按照相关程序对下集气管U型螺栓进行更换并保温。

3.3 部分炉管弯曲及炉管贴合的处理

3.3.1 导向圆筒的小改造

经过9 a的运行，一段炉个别炉管弯曲严重，部分原因在于炉管与导向圆筒之间的衔接问题。于是，对导向圆筒进行小改造——将炉管导向圆筒与炉顶板焊接处磨开，使导向圆筒和炉管一旦卡住后导向圆筒可以与炉管一同膨胀，以便炉管可以向上自由膨胀。

3.3.2 贴合炉管的处理

对于贴合炉管，采用90°旋转炉管焊接的方法处理：将上述2根贴合比较近的炉管于上猪尾管与下猪尾管处割开，将炉管旋转90°后，重新按照更换炉管的焊接方法进行焊接，由此解决炉管贴合的问题。

3.4 炉管阻力测量

一段炉炉管阻力的测量，首先要测量空管阻力，其后探测转化催化剂装填高度以及转化催化剂全部装填完毕均需测量炉管阻力。测量过程中，单根炉管阻力测量值需小于整体炉管阻力平均值的5%，如某根炉管阻力测量值超过整体炉管阻力平均值的5%，则应先停止催化剂装填，采用专用橡皮锤进行敲击振荡，直至合格为止；符合要求后，再进行下一步的催化剂装填工作及炉管阻力测量工作，直至全面达到要求。

4 运行维护建议

(1)塔石化根据多年的运行情况，将一段炉烧嘴点火顺序进行编排，任何时候均严格按照点火顺序进行；点火初期，遵循“多烧嘴(多点燃一些烧嘴)、低背压、大流量”的原则。

(2)塔石化运维人员已经按照建议每过一段时间(每1个阶段)用红外线测温仪对一段炉炉管温度进行检测，检查一段炉炉管的运行情况，通过炉管温度监测数据的对比分析判断一段炉烧嘴的燃烧状况，及时进行监控与调整。

(3)监控每根炉管的弹簧吊架刻度和重锤倾斜程度，并记录，且同之前的记录进行比对，发现问题及时查找原因并及时处理。

(4)塔石化近几年原料天然气组分变化较大，目前已经能够积极应对，原料天然气组分变化前后加强对一段炉的监控，及时记录每根炉管的检测数据，为研判一段炉炉管使用情况提供有效的数据支撑。

(5)正常生产期间，严格监控好一段炉的燃烧情况以及掺烧弛放气(氨合成系统经氨回收后的弛放气)气量的变化，发现异常及时汇报并进行调整，确保一段炉炉管的正常运行。

(6)按时巡查、按时排凝(液)，定时定人进行每个阶段的总结或汇总工作。

5 结束语

一段炉的正常运行得益于运行与停运期间良好的维护，更得益于操作人员的精细操作与维护。本次检修塔石化对一段炉运行隐患采取的消除措施中，有不少可圈可点之处，尤其是在炉管内催化剂托架裂缝损坏的处理方面，此种创新性处理措施是在不对一段炉炉体进行大规模拆装或维修的前提下进行的，可避免更换催化剂托架的高成本和停产损失，并节省大量的人力物力，且在一定程度上可减小一段炉炉管阻力，具有节能降耗与提质增效的作用。以上关于塔石化合成氨装置一段炉炉管系统隐患处理及维护措施的分享，希望能为业内提供一点参考与借鉴。