大型煤化工变换炉卸料口裂纹的产生原因及卸料口优化改造

杨宝军　曹镇海　马明娟

摘要：针对水煤浆气化工艺下游的变换炉卸料口短接管与加强管之间焊接处易出现裂纹的问题，本方法通过分析其裂纹产生的原因，并针对该原因对变换炉的卸料口结构进行优化改造，能够有效的解决卸料口短接管与加强管之间的焊接处裂纹问题，消除设备运行的安全隐患。

关键词：变换炉;卸料口;裂纹;优化改造

前言：鄂尔多斯市某煤制甲醇项目为国内先进工艺水平的煤制甲醇项目，其中变化炉设备为煤制甲醇工艺流程中调节水煤气氢碳比的重要设备，对整个工艺生产的连续稳定运行起着重要作用。

变换炉设备的生产厂家为中国石化集团南京化学工业有限公司化工机械厂，该变换炉自2015年8月份投料运行以来，一直运行稳定，各项指标均能满足生产要求。2018年7月份发现变换炉卸料口损坏，2018年10月份对卸料口进行优化改造，优化改造后运行至今设备运行状况处于良好状态。

1 变换炉的结构特点及使用工况

我公司的变换炉结构为立式圆筒型结构。变换炉容积为100.1M3，内径为3600mm，高度为14250mm，壳体厚度为122+6mm，封头厚度为75+6mm，壳体重量为139250kg，充重重量为239350kg;壳体和封头材质为SA387Gr.11CL2+S.S材料，与设备相连接的接管、法兰采用SA182F11CL.2+S.S和S32168IV级锻件，所有接管均采用嵌入式整体补强结构;考虑介质的腐蚀性，在设备内壁堆焊为6mm厚的321材质的不锈钢耐腐蚀层。

变换炉筒体内设置2层催化剂触媒床层，上层催化剂的装填高度为1900mm，上层催化剂顶部和底部各装填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;下层催化剂的装填高度为2720mm，下层催化剂顶部和底部也各装填有200mm高度的Ф25mm的耐火瓷球;变换炉锅底全部装填Ф50mm的耐火瓷球。

变换炉底部和中部各设置有一个卸料口，以方便在更换内部催化剂及氧化铝瓷球作业时，可以打开卸料口的盲法兰盖，进行可控制的连续的卸料作业。

变换炉内的介质特性：变换炉内介质为四喷嘴水煤浆气化工段产出的水煤气，经变换反应后转化为甲醇合成工艺用变换气，其特性为高温高压、易燃易爆，介质毒性为中度，设备运行工况较为苛刻。

变换炉的工作原理：我公司变换炉采用传统的、成熟的轴向变换工艺，CO的变换率高，变换炉的进出口阻力降稳定，压力损失小，对生产系统的影响小，有利于长周期稳定运行。变换炉工作时，至自上游工段过来的水煤气预热后经变换炉顶部入口进入上层催化剂进行变换反应，反应后的工艺气体穿过上层催化剂后继续进入下层催化剂进行变换反应，反应后的工艺气体最终经由变换炉底部的集气口汇总后送出，工艺介质中的H20和CO在催化剂及热量的作用下，最终转变成为H2和CO2，同时释放出大量的热量，少部分热量保留在变换炉内以维持催化剂床层温度恒定并做为变换反应的热源，大部分热量随反应后的工艺气移出变换炉，做为变换炉入口水煤气的预热热源，多余的热量进入余热回收工段，回收反应余热，副产0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa三种压力等级的饱和蒸汽。

2 卸料口存在的问题

2018年7月份，在变换炉正常运行使用过程中，发现变换炉下部卸料口根部有可燃气体及水蒸汽泄漏，经停车检查确认，泄漏部位为变换炉下部卸料口，进一步检查结果如下：

（1）环向对接接头整圈（断续）存在超标缺陷，深度（距外表面）范围3.2mm～17.4mm。

（2）距焊缝约30mm范围母材存在10处超标缺陷，深度（距外表面）范围3.1mm～17.4mm，且缺陷大多呈横向（或斜向）特征。

（3）缺陷附近可能有数条缺陷（分叉或网状），为方便标识，将反射信号超过判废线作为记数原则，共计10处超标缺陷。

根据检测结果，我公司在经过相关质检部门的许可后对卸料口进行了初步的修复工作，维修后的卸料口运行至2018年10月份，在此期间未发生泄漏情况。

2018年10月份，我公司在生产系统停车检修期间计划对变换炉卸料口泄漏问题进行彻底的解决，通过对卸料口的短接管与加强管之间的焊缝切割发现，上次维修后经过3个月的运行使用，卸料口部位再次出现裂纹缺陷。

根据变换炉的使用情况分析，我公司变换炉卸料口产生裂纹的主要原因如下：

（1）异种钢焊接。卸料口加强管（材质SA182F11CL.2+S.S）与卸料口短接管（材质0Cr18Ni10Ti）之间的焊接为异种钢焊接，异种钢焊接本身的强度较同种钢焊接强度低。

（2）设计缺陷。由于变换炉卸料口管线总长度约1600mm，且位于变换炉裙座外部，卸料口位置的介质长期处于无流动状态，形成死区，变换炉水煤气中的水蒸气在卸料口底端很容易冷凝，水煤气中的H2S、CO2等介质在液态水中不断地溶解形成饱和溶液，并呈现酸性环境，在合适的温度条件下易造成设备腐蚀。

（3）露点腐蚀。经检修发现卸料口损坏部位的腐蚀以穿透性的裂纹为主，而此部位的温度也长年维持在较低的温度状态下，有利于露点腐蚀情况的发生。

3 卸料口优化改造方法

基于以上对变换炉卸料口损坏情况的原因分析，通过常规的方法对卸料口进行维修后，设备可能会再次出现损坏的情况，为彻底解决该问题，必须通过改善卸料口的运行使用环境，才能从根本上解决该问题。

根据以上思路，我公司对变换炉卸料口采取了以下两歩方法进行维修改造：

（1）對原有的卸料口加强管与短接管的异种钢焊接处裂纹进行修复处理，恢复原有的卸料口结构。

（2）加工制作一合适材质和尺寸的堵头，从变换炉锅底的卸料口加强管开孔处进行堵塞焊接，彻底隔离卸料口与变换炉之间的连接通道，消除运行死区。

4 优化改造效果

改造前，卸料口的作用在于对催化剂进行卸料作业，据工艺要求，催化剂每3～4年需更换一次。卸料口改造后在保障不影响催化剂卸料的情况下取消了该卸料口的卸料作用，同时也消除了卸料口在运行过程中存在的死区以及介质冷凝后对异种钢焊接腐蚀等一系列缺陷，改善了卸料口的运行使用环境，保障了设备可以长周期安全稳定运行，从根本上解决了卸料口损坏的问题。

同时，从安全角度来出发，改造后的变换炉从2018年10月份运行至今已接近两年时间，经过运行观察，卸料口未发生泄漏情况，卸料口泄漏问题已经得到彻底解决，设备的安全运行隐患得到消除。从工艺使用角度出发，卸料口改造后，对变换炉的工艺运行参数也无任何影响。从成本效益角度出发，通过对卸料口的改造维修，节省了卸料口频繁出现损坏后的设备维修成本，同时也减少了因卸料口问题造成的生产系统开停车损失等，直接降低了公司的生产成本费用。

5 结束语

通过对比同行业该类型变换炉设备的使用情况来看，卸料口问题属于比较常见的一类设备故障，针对该问题，本文提出以下几点改进意见供参考：

（1）变换炉在设计选型上可以考虑增加卸料口的伴热措施，保障设备在运行过程中卸料口和设备本体始终处于同一温度状态下，避免死区介质冷凝后腐蚀卸料口。

（2）取消现有的常规卸料口设计，采用更加环保有效的抽真空卸料措施。

（3）采用更加新型高效的变换反应器，如轴径向变换反应器，该变换反应器具有双层结构，催化剂盛装在反应器内部的触媒框内，催化剂床层在操作过程中可以做到无温差运行，催化剂卸料口直接与反应器内部的触媒框相连接，卸料口焊接部位始终处于反应介质的包围中，不存在死区情况，设备整体使用寿命将大大延长。

参考文献：

[1]李剑晖，刘强，刘柱元，沈超.变换炉卸料口接管焊缝裂纹产生的原因及处理。