等温变换炉不锈钢换热管的快速查漏和检修

等温变换技术是近几年来发展较快的一种CO变换技术,其优点是安全、经济、操作简便、催化剂使用寿命长,但也存在着关键设备———等温变换炉结构复杂、检修难度高、检修时间长的缺点。新疆中能万源化工有限公司针对2019年10月年度检修后开车过程中出现的等温变换炉不锈钢换热管内漏问题,摒弃业内常规的检修方法,采用快速查漏和快速堵漏的方法,仅用时26h就完成了等温变换炉2根内漏不锈钢换热管的查漏和堵漏,此方法快速、有效,缩短了检修时间,保证了装置的有效运行时间。

新疆中能万源化工有限公司合成氨—尿素装置主要工序包括煤气化、CO变换、低温甲醇洗、液氮洗、氨合成、尿素合成。其中,煤气化采用的是航天炉粉煤加压气化工艺,所产煤气中CO含量高达61%(干基),给变换系统的设计带来较大难度。若采用常规的绝热变换反应器,需要4台绝热变换炉,工艺流程长,相应地用于回收煤气、变换气显热和潜热的设备台数也会增加,且回收热能级别较多,尤其是低品位热能较多;此外,操作中也易发生变换炉超温的风险。而等温变换技术是近几年来发展较快的一种CO变换技术,其改变了原来通过变换催化剂装填量来控制催化剂床层温升的设计理念,利用埋在催化剂床层内部的移热管束(副产高品位蒸汽)将催化剂床层反应热及时移出,确保催化剂床层温度可控,技术先进、设计合理,杜绝了变换炉超温的风险,有效延长了催化剂的使用寿命;此外,等温变换技术催化剂装填量不受床层超温限制,可在1台变换炉内装填大部分催化剂,从而可减少设备数量、缩短工艺流程。等温变换技术具有安全、经济、操作简便、催化剂使用寿命长等优点,但同时也存在着关键设备———等温变换炉结构复杂、检修难度高、检修时间长的缺点。等温变换炉不锈钢换热管一旦出现内漏,势必影响装置的有效运行时间,因此,等温变换炉不锈钢换热管的快速查漏和快速堵漏非常重要。

1等温变换炉结构及工艺流程

.1等温变换炉的结构

等温变换炉主要由汽包和变换炉构成。汽包布置在变换炉顶部,为变换炉提供移出变换反应热的锅炉水,同时分离汽水,蒸汽经分离水后送管网,水则循环进入变换炉。

等温变换炉内部主要为全径向催化剂筐和悬挂双套管换热组件,结构示意如图1。催化剂筐与炉壁有环隙,为未反应气的进入通道,催化剂筐内、外两侧为气体分布器,催化剂筐内装有钴钼系变换催化剂;等温变换炉中间有中心管,为反应气排出通道。悬挂双套管换热组件由内管、外管、薄管板、厚管板组成;内管与外管构成双套管不锈钢换热管,外套管与催化剂和反应气体直接接触,为换热的主要部件;薄管板隔离水室与汽室;厚管板隔离汽室与工艺系统,为主承压部件。等温变换炉采用的悬挂双套管不锈钢换热管可自由伸缩,可有效吸收热应力,使用安全,但给检维修带来了较大困难。

.2工艺流程

气体流程:未反应气先进入径向催化剂筐与炉壁间的环隙,径向穿过催化剂床层,在催化剂床层内CO与水蒸气反应生成CO2和H2,同时放出大量的热,反应热被分布于催化剂床层中不锈钢换热管内的水带出,从而保持催化剂床层处于恒温状态;反应后的气体由中心管汇集送出变换炉。水汽流程:汽包内锅炉水由汽包底部进入变换炉水室,经薄管板分别进入各内套管,在重力作用下向下流动并与外套管内水汽换热升温,到达双套管的底部后折流向上,经外套管吸收变换反应热副产蒸汽;蒸汽出厚管板后在汽室汇集,向上进入汽包,经分离水后,蒸汽外送管网,水则循环进入变换炉。

2等温变换炉不锈钢换热管内漏情况

2019年10月系统年度大修后开车,等温变换炉补水后用蒸汽加热水循环升温,当汽包压力升至1.5MPa时,发现汽包液位下降,打开等温变换炉进、出口气管道导淋阀,均发现有水,判断等温变换炉不锈钢换热管出现了内漏,立即停止升温,将汽包压力降至常压,并排尽汽包和水室内的锅炉水。据等温变换炉进、出口气管道导淋排出的水量分析,等温变换炉不锈钢换热管内漏较大。液态水会造成变换催化剂粉化,活性组分溶于水后流失,从而导致变换催化剂活性下降甚至失活,因此必须消除内漏后才能开车。

3内漏情况检查及处理方案制定

由等温变换炉内部结构(图1)可以看出,汽室内布满内套管,没有检查和处理的空间,作业人员能进入检修的空间只有水室。业内对于此类结构的设备可借鉴的检修方法是:环切割开汽室炉壁,将上封头连带薄管板、内套管一同抽出,在催化剂床层用氮气加压,逐根对外套管查

漏并处理;外套管漏点处理完毕后,回装上封头、薄管板及内套管,焊接汽室,完成检修。此处理方法工作量巨大,一般用时长达1个月。为尽快处理等温变换炉内漏问题,早日恢复生产,据等温变换炉的结构特点,结合以往处理设备问题的经验,制定了如下查漏和快速检修的方案。

.1查漏原理

内套管和外套管构成了一个U形管,在U形管内注入水形成水封,不漏的U形管是一个完整的水封,而内漏的U形管则不是一个完整的水封;在U形管一端逐渐增加压力,达到一定压力后,不漏的U形管另一端会有水流出,因内漏而水封高度较低的U形管则无水流出,甚至直接漏气。

.2查漏方案具体实施

将等温变换炉温度降至50℃以下,拆开汽室的1个出口和水室顶部人孔,将催化剂床层压力降至常压,从水室注入脱盐水,直到汽室出口有水流出时,停止注水,保持2h,使内漏的双套管液位下降。

在汽室的4个出口加盲板封闭汽室,在其中1个盲板上安装氮气加入接口;在汽室逐渐加入氮气升压(内套管的长度为13m,计算可知需加的最高压力p=ρgh=1000×9.807×13=127491Pa=0.127MPa),检查人员在薄管板处观察内套管内液位上升情况,当大部分内套管液位上升至管口时停止加压(防止水溢出影响检查),标记出内套管还未看到液位的点作为下一步的重点检查对象;标记完后,继续对汽室加压,观察标记的内套管何时出水,以确认是否内漏。继续对汽室加压并观察标记的内套管,在汽室压力低于0.127MPa的加压过程中,如内套管水流完且有气体冲出,则进一步确定漏点;当汽室压力高于0.127MPa时,双套管水封全部冲破,检查结束。标记出确认内漏的2根内套管,转为下一步的堵漏处理。上述查漏过程中,应注意做好作业人员的安全防护,防止出现氮气窒息。

.3堵漏方案的制定与实施

常规的不锈钢换热管堵漏一般采用堵头加焊接的方法,但等温变换炉2块管板间的距离只有800mm,其间无法实施焊接。据等温变换炉的结构特点,并结合以往的设备堵漏经验,制定了堵漏塞加固定杆(如图2)的堵漏方案。

将304不锈钢棒在车床上车出上端直径35mm、下端直径22mm、长度100mm的楔形堵漏塞(外套管外径为32mm),固定杆为直径20mm、长1000mm的碳钢圆钢。固定杆的一端用车床车出圆球,楔形堵漏塞大头也用车床车出一凹槽与固定杆圆球配合紧密。用角磨机磨掉内套管与薄管板的焊接焊缝,抽出内套管,扩孔至40mm,使楔形堵漏塞能穿过薄管板。在楔形堵漏塞与外套管结合面涂高温密封胶后,放入外套管,将固定杆球形头插入楔形堵漏塞的凹槽,用锤锤击固定杆上端,使楔形堵漏塞嵌入外套管,以达到堵漏效果;为防止楔形堵漏塞脱出,在固定杆上端用千斤顶施加适当压力,之后满焊固定杆与薄管板,使楔形堵漏塞在固定杆的作用下形成牢固结构,最后割除多余的固定杆,完成堵漏。

.4堵漏效果

等温变换炉不锈钢换热管完成堵漏后,经开车检验,确认检修效果良好,再未发现明显漏点。上述堵漏方案实施过程中,虽然楔形堵漏塞没有与厚管板焊接,但固定杆与高温密封胶的使用确保了堵漏效果;加之正常运行时汽包压力高于催化剂床层压力,即使楔形堵漏塞出现微漏,也是少量水漏入催化剂床层,这些少量的水会立即汽化成蒸汽,不会对变换催化剂造成任何影响。总体看来,此次等温变换炉不锈钢换热管内漏的排查和处理是非常成功的。

4结束语

实践表明,等温变换炉采用上述方法查漏和堵漏,可快速、有效地发现并处理等温变换炉不锈钢换热管出现的内漏,整个查漏和堵漏过程总计用时26h,相较于常规的处理方法极大地缩短了排查、处理时间,可尽量减少因等温变换炉不锈钢换热管内漏处理造成的停车减产损失,同时也可为此类设备的检修积累较好的经验。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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