关于甲醇合成塔内漏问题的探讨

关键词：参数，缺陷检测，裂纹，应力，原因，处理，措施

1引言

对于化工生产企业来说，其关键设备运行的稳定性、可靠性及高效性是企业生存的关键。甲醇生产装置中，甲醇合成塔作为该装置的核心关键设备，一旦出现故障，将影响整个系统的运行，并且该设备加工制造难度大，周期长，价格昂贵。某甲醇装置甲醇合成塔为三台并联合成塔，其中一台于2000年6月份投用，该合成气反应器是管壳式的，铜基催化剂装在管程中，合成气在管程中与铜基催化剂接触，发生反应后生成甲醇。壳程为锅炉水，用于移走管程内的反应热，同时副产蒸汽。该塔在使用过程中从汽包不凝气在线监控中取样发现有CO气体，多次取样分析判断该塔发生内漏。该塔在检修中发现管板角焊缝及基层存在多处裂纹缺陷，列管涡流检测发现12根列管存在不同程度的外壁缺陷。

2甲醇合成塔参数及情况介绍

见表1。

甲醇合成塔列管材质为SAF2205双相不锈钢，共有列管2292根；列管长度7m，列管规格Ф44×2mm。管板基层厚度70mm，材质为20MnMoNi55，过渡层E309L焊丝堆焊2mm，面层E308MoL堆焊5mm。

3缺陷检测情况

在合成塔发现存在内漏现象后，组织进行催化剂扒卸查漏。合成塔壳程水压试验至2.8MPa时发现上管板有两处泄漏点，其中一处为列管角焊缝裂纹，一处为管板堆焊层砂眼。对于管壳式设备的管板、管板角焊缝及列管采用的无损检测手段有表面检测、磁粉、射线、涡流检测等手段，鉴于本合成塔结构及材质的特殊性，为更加全面的发现设备缺陷，首先对管板进行100%PT检测，检测结果发现1处裂纹，12处疑似气孔（微缺陷可不做处理）。对于列管采用涡流检测结合内窥镜表面检测的手段进行检测，检测结果见表2及图1。

对于水压试验发现泄漏的两处缺陷及PT检测发现的一处裂纹缺陷，用手动砂轮打磨后发现两处管板裂纹为列管角焊缝开裂，打磨至3mm深度左右，裂纹消失。而管板砂眼经表面打磨后发现埋藏多处裂纹，表面堆焊层7mm打磨掉之后发现在管板基层仍存在大量的裂纹缺陷。

4原因分析

对于上述的缺陷情况结合设备的使用状态进行综合的评价分析，导致合成塔出现多处缺陷的原因有以下几点。

（1）长期运行造成的疲劳开裂。疲劳开裂通常发生在几何形状不连续处等易发生应力集中的位置。这台合成塔已经连续使用近20年时间，管板角焊缝长期受到压力波动、温度变换、沸腾锅炉水冲击等外载荷的反复作用，尤其是因生产波动及装置检修，期间发生开停车次数达数十次，温度、压力在装置启停期间都会发生大幅度的变化，再加上管板角焊缝处于应力集中比较严重的位置，因而容易造成疲劳开裂。这也是造成合成塔发生管板角焊缝裂纹的原因之一。

（2）温差应力作用。甲醇合成塔催化剂装填时为了最大可能的提高反应效率实现产能最大化及消耗降低，一般在高出上管板一定高度处也装填上催化剂，用来抵消加在新催化剂升温还原后体积的缩小造成列管内催化剂的空缺。但是因装填不均匀或者升温还原过程体积变化存在差异性，造成管板上列管之间催化剂分布不均匀，在生产过程中催化剂与合成气反应释放出大量的热量，管板上留存的部分催化剂反应热不能及时带走，造成局部高温区，因温度差异在管板及列管之间产生不同的温度层，因此带来了较大的温差应力。这种存在的温差应力，为管板角焊缝裂纹的形成奠定了基础。

（3）基层高强度钢的氢脆倾向。产生氢蚀的条件主要是氢分压、温度、作用时间和钢的化学成分。根据著名的Nelson曲线及实际数据表明，对于碳钢而言，只有氢分压在1MPa以下，或温度低于200℃时，才不会发生氢腐蚀。管板基层材质为20MnMoNi55高强度耐热钢，材料的塑形与韧性下降，脆性上升，具备极强的氢脆倾向。甲醇合成塔介质中绝大部分为氢气，在长期高氢分压及高温反应的环境中，对设备材料发生氢腐蚀形成了较大的危险因素。

（4）管板结构。该设备管板直径2800mm，厚度为77mm，在生产过程中，管板两面受热不均，产生一定的温度差，且随着厚度的增大这种温度差异越大，产生巨大的热应力。此外，该甲醇合成塔为固定管板式，筒体材质为20MnMoNi55，列管材质为SAF2205，两种材料的热膨胀系数不同，在不同的工况下因热胀冷缩造成的应力危害极大。以上产生的因温度变化造成的应力也是管束角焊缝发生裂纹的原因之一。

（5）设备本体结构。甲醇合成塔换热管规格为Ф44×2mm，结构为固定管板式，共设置3层支承板，板间距分别为1770mm、1720mm、1720mm。涡流检测结果显示列管外壁缺陷，其中50%以上的缺陷位置都是在支承板附近。因此，列管在长期运行过程因振动造成与支承板之间的摩擦，列管外壁发生了局部磨损减薄，在长期作用下，给设备使用带来极大的安全风险。

5缺陷处理及预防措施

根据各种检测手段发现的合成塔缺陷，为保证合成塔能够继续安全运行，对存在的缺陷按照以下方案进行返修处理。

（1）裂纹缺陷处理。第一步，先通过PT检测确定裂纹缺陷位置及范围；第二步，先用手电钻在裂纹两端钻止裂孔后用手动砂轮机打磨裂纹，并PT检测确认裂纹完全消除；第三步，用石棉毯将换热管封堵，进行焊前预热，保证预热温度大于150℃，手工氩弧焊补焊并进行消氢处理。

（2）列管减薄缺陷。第一步，确定减薄列管，进行焊前清理，采用不锈钢专用砂轮片打磨管口周围20mm内的污物，露出金属光泽；第二步，上下管口采用直磨清理列管内壁，露出金属光泽；第三步，用钻头在需要封堵列管内壁钻Ф8mm的小孔，使运行过程中列管内与壳程相同，实现封堵列管在后续运行中不承受压力同时保证内外温度平衡；第四步，管子两端插入堵销，手工氩弧焊焊接角焊缝，控制层间温度不得大于150℃。

所有缺陷处理完毕后进行100%PT检测，并进行水压试验，确保处理合格。

从甲醇合成塔的使用及检修过程，通过对缺陷检测及原因分析，在设备制造选型及使用维护上如何有效的避免出现各种缺陷，建议从以下几点着手。

（1）从设备的选材方面考虑，在材料的安全使用界限内选择抗氢腐蚀性能好的材料。从Nelson曲线可以看出钢中铬、钼、钒等元素的含量越高，其抗高温氢腐蚀的性能越好。因为这些元素是碳的稳定剂，在钢中添加这些元素可以与碳元素形成稳定的合金碳化物，从而减小钢的甲烷化倾向。同时，严格避免钢中含有分散的非金属杂质，氢或甲烷容易在这些位置发生聚集，从而造成金属的脆性断裂。此外，钢的热处理状态也对抗高温氢腐蚀有很大的影响。在设备制造过程中，钢板的正火及焊后热处理的质量也是影响设备发生氢致裂纹的重要因素。

（2）该合成塔管束与管板的连接形式采用强度焊+贴涨，这种结构使列管角焊缝处于高温区，容易受到热冲击而产生裂纹。建议采用深孔焊，这种结构将焊缝埋藏与低温区，减少热冲击的影响。

（3）合理的工况运行控制。在使用过程中保持运行稳定，避免气量、温度、压力出现大幅度波动，减少壳程、管程压差。在装置启停过程中严格控制设备内温度的升降温速率，避免出现温度变化过快造成的温差应力。

（4）采用更为先进合理的新型甲醇合成塔结构技术。目前选用的甲醇合成塔主要有两种结构形式。第一种低压甲醇合成塔采用列管式合成塔，列管内装填催化剂，管间为沸腾水，反应热经管壁传给沸腾水产生蒸汽。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压力控制，从而保证催化剂层呈大致等温的曲线，这种合成塔结构在温度控制上不可避免的存在误读差异，从而造成温差应力影响合成塔的使用性能。第二种等温甲醇合成塔采用盘管内沸腾水冷却的单段等温塔。在塔内，螺旋蛇管放置在催化剂层中，从蛇管下部加入锅炉水，上部排出中压蒸汽和循环水。通过水循环系统保证系统的温度稳定，不仅能够实现合成反应效率，也能通过等温控制有效减少合成塔局部位置带来的温差应力。

6结束语

甲醇合成塔作为核心设备其运行安全稳定的重要性显而易见，甲醇生产装置一方面要选用合理的工艺路线，先进的设备制造工艺及结构选型；另一方面要做好生产过程中设备的指标控制、优化，确保设备处于良好稳定的工作状态；此外作为生产部门在设备管理上对关键设备实施特殊保护，通过各种手段最大程度的实现设备装置的安全稳定、长周期运行。