合成氨裝置配套鍋爐高壓蒸汽管系優化小結

譚冬梅

(云南天安化工有限公司, 云南昆明 650300)

1 概述

某公司年產50萬t合成氨裝置配套有3臺循環流化床鍋爐(設計單臺產汽量為150 t/h,2開1備),為全廠供應蒸汽。鍋爐所產高壓蒸汽壓力為9.8 MPa,其溫度為540 ℃。

熱電鍋爐是該公司年產50萬t合成氨裝置的動力和熱力系統,為空分三合一機組、合成壓縮機等蒸汽驅動設備提供動力,同時為其他生產設備提供熱源。高壓蒸汽系統能否正常運行直接影響整個合成氨生產裝置的安全穩定運行。

2 存在問題

高壓蒸汽管道屬于壓力管道,必須接受特檢院定期檢驗。由于該管道長期處于高溫、高壓條件,損壞較為嚴重,有爆管風險。

2.1 高壓蒸汽管道金相球化較嚴重

合成氨制造中心高壓蒸汽系統由8條管線組成(見表1)。在2018—2020年檢驗中,金相球化等級為完全球化4.0級和嚴重球化4.5級。其中高壓蒸汽至煤氣化燒嘴蒸汽管道(HS-00004)金相球化為嚴重球化5.0級,且表面硬度檢測偏低。

表1 金相球化較嚴重的高壓蒸汽管道

2.2 高壓蒸汽管件出現裂紋

2020年1月26日,高壓蒸汽母管(HS-30204)至汽輪機一次閥前三通在肩部出現裂紋。后經修復后,運行至5月消缺檢修期間進行更換。該三通化學元素分析和力學性能檢測結果顯示,其20 ℃沖擊吸收能量下降較多且低于標準值。

2.3 高壓蒸汽管道發生位移

2008年,高壓蒸汽管道因空分三合一機組主蒸汽閥閥桿斷裂造成高壓蒸汽管道整體往東位移100～200 mm。經數年運行后,其部分彈簧已失效。

2.4 高壓蒸汽閥門內漏

自2009年更換3臺鍋爐并汽大閥后,閥門內漏,在蒸汽和管道內空氣的影響下,生成鐵銹;且該閥門安裝在垂直管段,在鍋爐開車時,鐵銹聚集在閥板上,長期開關操作造成密封面擦傷,每年維修后開關一次又發生內漏。鍋爐改造或檢修期間無法有效隔離,對蒸汽系統檢修影響大;檢修后水壓試驗易造成水側進入蒸汽側,出現蒸汽管道水擊,故每次水壓試壓均低于工作壓力,無法對檢修質量進行檢測。

3 原因分析

高壓蒸汽管道溫度、壓力均較高,運行環境惡劣,閥門、管道易失效。蒸汽管道熱膨脹量及應力較大,設計、材料供應、施工、操作過程中的任何環節出現問題都可能引起管道失效[1]。結合管道實際情況及故障現象,通過分析,最終確定高壓蒸汽管道失效的主要原因。

3.1 未有效固定高壓蒸汽管道支架

蒸汽管道運行過程中,因熱膨脹管道會變大。要求管道既要有足夠的柔性,允許其在一定范圍內自由膨脹,又要設置一定數量的固定支架,避免膨脹不受控。

2008年空分裝置三合一機組主蒸汽閥閥桿斷裂,大量高壓蒸汽在短時間內迅速退回,造成高壓蒸汽總管固定支架13-A拉脫,高壓蒸汽管道整體往東位移100～200 mm。高壓蒸汽迅速退回,推力較大,管道東移后無法回位。由于蒸汽管道未得到有效固定,經數年運行后部分彈簧失效。雖然各個方向均有位移,但主要沿東向位移,部分管道同時存在東向和南北向位移。管道東西向位移情況見表2。

表2 高壓蒸汽管道東西向位移情況

3.2 高壓蒸汽管道應力較大

該公司高壓蒸汽壓力為9.8 MPa,其溫度為540 ℃,管道應力大,運行過程中位移距離較大[2]。

高壓蒸汽總管固定支架13-A被拉脫后,1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管沿著介質流動方向,由北向南位移,推動高壓蒸汽總管向南移動。高壓蒸汽總管與南側廠房墻壁距離較小(見圖1),當高壓蒸汽總管抵碰墻壁后,反推力促使1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管向北位移。蒸汽管道經數年運行后部分彈簧已失效。管道南北向位移情況見表3。

圖1 高壓蒸汽總管與南側廠房墻壁距離較小

表3 高壓蒸汽管道南北向位移情況

從表3可以看出,高壓蒸汽總管均是向北位移,而1、2、3號鍋爐高壓蒸汽支管有的向北位移,有的向南位移。其主要原因為管道發生位移后,一部分管道能夠復位,一部分管道不能復位。

3.3 高壓蒸汽管道部分管架選型不合理

高壓蒸汽管道應力較大,在設計過程中,可通過設置“π”型彎、彈簧支吊架等提高其柔性,但具體如何設置必須經過專業的應力分析軟件計算。如果支架型式、彈簧荷載選擇不當,將直接影響其使用效果。

1、2、3號鍋爐正常運行期間,集箱出口蒸汽管道上的托架3a-RS、3b-RS、3c-RS懸空,無法起到支撐管道的作用(見圖2)。建議對其重新選型。

圖2 托架3a-RS懸空

4 整改措施

4.1 校核高壓蒸汽管系應力,彈簧支吊架重新選型

自2008年空分裝置三合一機組主蒸汽閥閥桿斷裂,高壓蒸汽總管固定支架13-A拉脫后,整個高壓蒸汽管系彈簧失效嚴重,大部分發生位移、歪斜現象。通過重新校核并計算應力,根據核算結果重新采購、安裝相應型號的彈簧,以確保整個高壓蒸汽管系安全運行。改造支吊架共計40個[3]。

為解決1、2、3號鍋爐集箱出口蒸汽管道托架3a-RS、3b-RS、3c-RS懸空問題,將之前的滑動支架2a-RS、2b-RS、2c-RS、3a-RS、3b-RS、3c-RS改為彈簧2a-SS、2b-SS、2c-SS、3a-SS、3b-SS、3c-SS,彈簧型號分別為TD90D12、TD90D12、TD90D12、ZA22-100/6.8S-M20、ZA22-100/6.8S-M20、ZA23-110/6.9S-M16。支架做法見圖3～圖5。

說明：制作3套支架,分別為2a-SS、2b-SS、2c-SS,材料表為1套所用。

說明：制作2套支架,分別為3a-SS、3b-SS,材料表為1套所用。

圖5 3c-SS支架做法

4.2 有效固定高壓蒸汽管道支架

此次改造將13-A支架重新進行有效固定(見圖6),以防止整個高壓蒸汽管系沿東西向繼續移動。

圖6 13-A支架重新固定

4.3 高壓蒸汽閥門升級改造

將3臺鍋爐并汽大閥和汽輪機一次閥更換為手動閘閥(型號為Z562Y-P54140 V),并根據新閥門安裝要求重新進行配管(見圖7)。將閥門安裝在水平管段,防止停車期間蒸汽冷凝腐蝕閥芯。

圖7 鍋爐并汽大閥處改管

圖8 高壓蒸汽改管應力分析

4.4 更換失效高壓蒸汽管道及管件

對高壓蒸汽管道導淋、導壓管進行壁厚檢測和焊縫100%PT檢測,對部分焊高不足之處進行打磨補焊+100%PT檢測,并檢查導淋管道受限情況。

按照以下要求對高壓蒸汽管道進行取樣檢測：① 550 ℃屈服強度檢驗、母材和焊縫分別取樣;② 常溫抗拉強度、屈服強度;③ 20 ℃沖擊吸收能量、延伸率檢驗;④ 硬度檢測(HB);⑤ 化學成分分析;⑥ 對母材和焊縫金相組織分析(每個樣品分析外表面、中間和內表面3個位置)。

更換檢測不符合要求的管道及管件。高壓蒸汽至HS-00004金相球化為嚴重球化5級,且表面硬度檢測偏低。全部更換該段蒸汽管道及手動閥。根據檢測情況更換三通至鍋爐并汽大閥之間的管道。新更換的三通進行100%UT(肩部無法掃描)+100%MT檢測,排除制造缺陷。

5 應力分析

使用國際通用的管道應力分析軟件CAESAR Ⅱ[4],分析結果表明：該系統中的管道應力計算合格;該系統的管道位移距離在可控制范圍之內。

6 結語

目前,高壓蒸汽管系優化后已運行1 a,未發生因管道泄漏、位移等原因導致生產裝置全線停車的情況。該項技術改造進一步提升了空分三合一機組、合成壓縮機等關鍵機組蒸汽動力供給的穩定性,為年產50萬t合成氨裝置安全、穩定、長周期運行提供了有效保障。