關鍵詞：參數，缺陷檢測，裂紋，應力，原因，處理，措施

1引言

    對于化工生產企業來說，其關鍵設備運行的穩定性、可靠性及高效性是企業生存的關鍵。甲醇生產裝置中，甲醇合成塔作為該裝置的核心關鍵設備，一旦出現故障，將影響整個系統的運行，并且該設備加工制造難度大，周期長，價格昂貴。某甲醇裝置甲醇合成塔為三臺并聯合成塔，其中一臺于2000年6月份投用，該合成氣反應器是管殼式的，銅基催化劑裝在管程中，合成氣在管程中與銅基催化劑接觸，發生反應后生成甲醇。殼程為鍋爐水，用于移走管程內的反應熱，同時副產蒸汽。該塔在使用過程中從汽包不凝氣在線監控中取樣發現有CO氣體，多次取樣分析判斷該塔發生內漏。該塔在檢修中發現管板角焊縫及基層存在多處裂紋缺陷，列管渦流檢測發現12根列管存在不同程度的外壁缺陷。

2甲醇合成塔參數及情況介紹

見表1。

    甲醇合成塔列管材質為SAF2205雙相不銹鋼，共有列管2292根；列管長度7m，列管規格Ф44×2mm。管板基層厚度70mm，材質為20MnMoNi55，過渡層E309L焊絲堆焊2mm，面層E308MoL堆焊5mm。

3缺陷檢測情況

    在合成塔發現存在內漏現象后，組織進行催化劑扒卸查漏。合成塔殼程水壓試驗至2.8MPa時發現上管板有兩處泄漏點，其中一處為列管角焊縫裂紋，一處為管板堆焊層砂眼。對于管殼式設備的管板、管板角焊縫及列管采用的無損檢測手段有表面檢測、磁粉、射線、渦流檢測等手段，鑒于本合成塔結構及材質的特殊性，為更加全面的發現設備缺陷，首先對管板進行100%PT檢測，檢測結果發現1處裂紋，12處疑似氣孔（微缺陷可不做處理）。對于列管采用渦流檢測結合內窺鏡表面檢測的手段進行檢測，檢測結果見表2及圖1。

    對于水壓試驗發現泄漏的兩處缺陷及PT檢測發現的一處裂紋缺陷，用手動砂輪打磨后發現兩處管板裂紋為列管角焊縫開裂，打磨至3mm深度左右，裂紋消失。而管板砂眼經表面打磨后發現埋藏多處裂紋，表面堆焊層7mm打磨掉之后發現在管板基層仍存在大量的裂紋缺陷。

4原因分析

    對于上述的缺陷情況結合設備的使用狀態進行綜合的評價分析，導致合成塔出現多處缺陷的原因有以下幾點。

（1）長期運行造成的疲勞開裂。疲勞開裂通常發生在幾何形狀不連續處等易發生應力集中的位置。這臺合成塔已經連續使用近20年時間，管板角焊縫長期受到壓力波動、溫度變換、沸騰鍋爐水沖擊等外載荷的反復作用，尤其是因生產波動及裝置檢修，期間發生開停車次數達數十次，溫度、壓力在裝置啟停期間都會發生大幅度的變化，再加上管板角焊縫處于應力集中比較嚴重的位置，因而容易造成疲勞開裂。這也是造成合成塔發生管板角焊縫裂紋的原因之一。

（2）溫差應力作用。甲醇合成塔催化劑裝填時為了最大可能的提高反應效率實現產能最大化及消耗降低，一般在高出上管板一定高度處也裝填上催化劑，用來抵消加在新催化劑升溫還原后體積的縮小造成列管內催化劑的空缺。但是因裝填不均勻或者升溫還原過程體積變化存在差異性，造成管板上列管之間催化劑分布不均勻，在生產過程中催化劑與合成氣反應釋放出大量的熱量，管板上留存的部分催化劑反應熱不能及時帶走，造成局部高溫區，因溫度差異在管板及列管之間產生不同的溫度層，因此帶來了較大的溫差應力。這種存在的溫差應力，為管板角焊縫裂紋的形成奠定了基礎。

（3）基層高強度鋼的氫脆傾向。產生氫蝕的條件主要是氫分壓、溫度、作用時間和鋼的化學成分。根據著名的Nelson曲線及實際數據表明，對于碳鋼而言，只有氫分壓在1MPa以下，或溫度低于200℃時，才不會發生氫腐蝕。管板基層材質為20MnMoNi55高強度耐熱鋼，材料的塑形與韌性下降，脆性上升，具備極強的氫脆傾向。甲醇合成塔介質中絕大部分為氫氣，在長期高氫分壓及高溫反應的環境中，對設備材料發生氫腐蝕形成了較大的危險因素。

（4）管板結構。該設備管板直徑2800mm，厚度為77mm，在生產過程中，管板兩面受熱不均，產生一定的溫度差，且隨著厚度的增大這種溫度差異越大，產生巨大的熱應力。此外，該甲醇合成塔為固定管板式，筒體材質為20MnMoNi55，列管材質為SAF2205，兩種材料的熱膨脹系數不同，在不同的工況下因熱脹冷縮造成的應力危害極大。以上產生的因溫度變化造成的應力也是管束角焊縫發生裂紋的原因之一。

（5）設備本體結構。甲醇合成塔換熱管規格為Ф44×2mm，結構為固定管板式，共設置3層支承板，板間距分別為1770mm、1720mm、1720mm。渦流檢測結果顯示列管外壁缺陷，其中50%以上的缺陷位置都是在支承板附近。因此，列管在長期運行過程因振動造成與支承板之間的摩擦，列管外壁發生了局部磨損減薄，在長期作用下，給設備使用帶來極大的安全風險。

5缺陷處理及預防措施

    根據各種檢測手段發現的合成塔缺陷，為保證合成塔能夠繼續安全運行，對存在的缺陷按照以下方案進行返修處理。

（1）裂紋缺陷處理。第一步，先通過PT檢測確定裂紋缺陷位置及范圍；第二步，先用手電鉆在裂紋兩端鉆止裂孔后用手動砂輪機打磨裂紋，并PT檢測確認裂紋完全消除；第三步，用石棉毯將換熱管封堵，進行焊前預熱，保證預熱溫度大于150℃，手工氬弧焊補焊并進行消氫處理。

（2）列管減薄缺陷。第一步，確定減薄列管，進行焊前清理，采用不銹鋼專用砂輪片打磨管口周圍20mm內的污物，露出金屬光澤；第二步，上下管口采用直磨清理列管內壁，露出金屬光澤；第三步，用鉆頭在需要封堵列管內壁鉆Ф8mm的小孔，使運行過程中列管內與殼程相同，實現封堵列管在后續運行中不承受壓力同時保證內外溫度平衡；第四步，管子兩端插入堵銷，手工氬弧焊焊接角焊縫，控制層間溫度不得大于150℃。

    所有缺陷處理完畢后進行100%PT檢測，并進行水壓試驗，確保處理合格。

    從甲醇合成塔的使用及檢修過程，通過對缺陷檢測及原因分析，在設備制造選型及使用維護上如何有效的避免出現各種缺陷，建議從以下幾點著手。

（1）從設備的選材方面考慮，在材料的安全使用界限內選擇抗氫腐蝕性能好的材料。從Nelson曲線可以看出鋼中鉻、鉬、釩等元素的含量越高，其抗高溫氫腐蝕的性能越好。因為這些元素是碳的穩定劑，在鋼中添加這些元素可以與碳元素形成穩定的合金碳化物，從而減小鋼的甲烷化傾向。同時，嚴格避免鋼中含有分散的非金屬雜質，氫或甲烷容易在這些位置發生聚集，從而造成金屬的脆性斷裂。此外，鋼的熱處理狀態也對抗高溫氫腐蝕有很大的影響。在設備制造過程中，鋼板的正火及焊后熱處理的質量也是影響設備發生氫致裂紋的重要因素。

（2）該合成塔管束與管板的連接形式采用強度焊+貼漲，這種結構使列管角焊縫處于高溫區，容易受到熱沖擊而產生裂紋。建議采用深孔焊，這種結構將焊縫埋藏與低溫區，減少熱沖擊的影響。

（3）合理的工況運行控制。在使用過程中保持運行穩定，避免氣量、溫度、壓力出現大幅度波動，減少殼程、管程壓差。在裝置啟停過程中嚴格控制設備內溫度的升降溫速率，避免出現溫度變化過快造成的溫差應力。

（4）采用更為先進合理的新型甲醇合成塔結構技術。目前選用的甲醇合成塔主要有兩種結構形式。第一種低壓甲醇合成塔采用列管式合成塔，列管內裝填催化劑，管間為沸騰水，反應熱經管壁傳給沸騰水產生蒸汽。合成塔全系統的溫度條件用蒸汽壓力控制，從而保證催化劑層呈大致等溫的曲線，這種合成塔結構在溫度控制上不可避免的存在誤讀差異，從而造成溫差應力影響合成塔的使用性能。第二種等溫甲醇合成塔采用盤管內沸騰水冷卻的單段等溫塔。在塔內，螺旋蛇管放置在催化劑層中，從蛇管下部加入鍋爐水，上部排出中壓蒸汽和循環水。通過水循環系統保證系統的溫度穩定，不僅能夠實現合成反應效率，也能通過等溫控制有效減少合成塔局部位置帶來的溫差應力。

6結束語

    甲醇合成塔作為核心設備其運行安全穩定的重要性顯而易見，甲醇生產裝置一方面要選用合理的工藝路線，先進的設備制造工藝及結構選型；另一方面要做好生產過程中設備的指標控制、優化，確保設備處于良好穩定的工作狀態；此外作為生產部門在設備管理上對關鍵設備實施特殊保護，通過各種手段最大程度的實現設備裝置的安全穩定、長周期運行。

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