碎煤加壓氣化爐配套廢熱鍋爐管束泄漏原因探討與分析

鄧永斌，段 偉

（1.大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021400；2.內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350）

某公司氣化裝置選用固定床碎煤加壓氣化爐，裝置一期有16 臺氣化爐，配套16 臺廢熱鍋爐，氣化爐日常運行方式是14 開1 備1 大修。氣化爐產生的粗煤氣由氣化爐出口經過洗滌冷卻器洗滌降溫后，進入廢熱鍋爐管程，與殼程的鍋爐水進行熱量交換，換熱后的粗煤氣由廢熱鍋爐出口經粗煤氣總管送往后續工段進行凈化、合成處理，最終產出合格天然氣[1]。

該裝置自2013 年10 月開車運行，在累計運行約10 000 h 后，于2015 年11 月起16 臺廢熱鍋爐相繼出現管束泄漏情況，且隨時間推移管束泄漏頻率呈遞增趨勢發展，嚴重制約了裝置的達標達產。該公司分別于2018 年7 月和2019 年6 月對頻繁泄漏的16 臺廢熱鍋爐進行了整體更換，更換前16 臺廢熱鍋爐共泄漏137 次，發生泄漏的管束共836 根，泄漏率達到了10.98%。新更換的廢熱鍋爐在累計運行8 000 h后，于2019 年10 月又相繼有5 臺再次出現管束泄漏情況。該公司多次組織現場會診，制定并實施了一系列措施，于2020 年12 月遏制住廢熱鍋爐管束泄漏的勢頭。截至筆者寫稿，該公司廢熱鍋爐管束已實現500 余天無泄漏，徹底消除了多年來一直困擾影響該公司達標達產的一項重大安全生產運行隱患。

1 廢熱鍋爐運行情況

1.1 廢熱鍋爐設備參數

廢熱鍋爐執行的相關標準、設計參數及關鍵部件所用材料見表1，運行參數見表2。

表1 廢熱鍋爐執行標準、設計參數及主要材料

表2 廢熱鍋爐相關運行參數

1.2 廢熱鍋爐管束泄漏情況

根據2018 年對碎煤加壓氣化爐廢熱鍋爐管束泄漏后拆檢勘查，發現廢熱鍋爐管束內側（煤氣側）的腐蝕情況可以忽略；管束外側化學腐蝕和機械磨損較嚴重，且多為坑點狀的化學腐蝕；管束與折流板接觸的部位也存在著機械磨損的情況；折流板骨架損壞嚴重，無論是管孔還是導流孔，都有孔徑明顯擴大情形。廢熱鍋爐管束按照徑向可分為3 個區域（A 區、B 區、C區，見圖1），這3 個區域均是靠近中心管處的管束化學腐蝕和機械磨損較為嚴重，且以B 區最為嚴重；同時，廢熱鍋爐管束軸向共有9 塊折流板支撐，由下到上依次編號為1～9（見圖2），從第5 塊折流板開始，管束與折流板之間出現明顯的磨損現象，并且嚴重程度由5 到9 有增加的趨勢，其中第8 塊折流板對應的管束位置泄漏最嚴重。

圖1 廢熱鍋爐管束徑向分區及磨損圖

圖2 廢熱鍋爐管束軸向圖

2 廢熱鍋爐管束泄漏原因分析

2.1 設備材質及工藝參數的影響

將該公司廢熱鍋爐與同行業公司A、B 的廢熱鍋爐設備材質及運行參數進行對比，結果見表3、表4。

表3 廢熱鍋爐管束材質對比

由表3、表4 可以發現：

表4 廢熱鍋爐運行數據對比

（1）該公司廢熱鍋爐管束材質更換前與公司B 的相同，更換后與公司A 相同，判斷廢熱鍋爐管束材質不是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因。

（2）廢熱鍋爐殼側運行參數自產低壓蒸汽壓力、鍋爐水溫度、鍋爐水壓力、鍋爐水消耗量、鍋爐水溶解氧含量基本介于同行業公司A 與公司B 之間，判斷以上指標不是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因。

（3）廢熱鍋爐管側運行參數氣化爐壓力、入廢熱鍋爐煤氣溫度、出廢熱鍋爐煤氣溫度、單爐煤氣產量基本介于同行業公司A 與公司B 之間，判斷以上指標不是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因。

（4）碎煤加壓氣化爐出口粗煤氣溫度比公司A 和公司B 低100 ℃～200 ℃，但在洗滌冷卻后入廢熱鍋爐管側前三家公司粗煤氣溫度幾乎是相同的，所以判斷碎煤加壓氣化爐出口粗煤氣溫度不是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因。

2.2 管線支撐的影響

廢熱鍋爐泄漏統計數據見表5。對比表5 中數據發現：（1）有支架支撐的廢熱鍋爐管束泄漏次數遠遠低于無支架支撐的；（2）有支架支撐的廢熱鍋爐管束首次泄漏運行時間大于無支架支撐的；（3）有支架支撐的廢熱鍋爐管束泄漏頻率遠遠低于無支架支撐的。因此，廢熱鍋爐殼側出口低壓蒸汽管線上有無支架支撐是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因之一。

表5 廢熱鍋爐泄漏統計數據（廢熱鍋爐整體更換前數據）

2.3 介質特性的影響

廢熱鍋爐管束泄漏發生在管束外側，判斷粗煤氣的特性不是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因，鍋爐水的特性可能是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因之一。該公司控制調節鍋爐水pH 值的藥劑為氨水，鍋爐水進入廢熱鍋爐從2.0 MPa 減壓到0.6 MPa 后，氨水溶解度降低約5/6，導致廢熱鍋爐殼側內的鍋爐水pH 值大幅度降低，無法保證鍋爐水呈堿性。公司A、B控制調節鍋爐水pH 值的主要藥劑使用磷酸三鈉，磷酸三鈉在水中水解生成少部分游離NaOH，NaOH 在水中顯堿性，它溶于水后不會像氨水一樣隨鍋爐水減壓導致溶解度降低，不會使廢熱鍋爐殼側內的鍋爐水pH 值大幅度降低，可以有效地保證鍋爐水呈堿性，從而防止金屬設備的腐蝕[2]。

在廢熱鍋爐管束泄漏后拆檢勘查發現，從下到上第8 塊折流板對應的管束位置泄漏最嚴重（從上到下第2 塊），原因分析如下：（1）因藥劑的濃縮作用，理論上廢熱鍋爐殼側液位底部鍋爐水pH 值高于頂部；（2）廢熱鍋爐由下到上第8 塊折流板正好處于廢熱鍋爐殼側水汽上升變徑處，此處折流板前后壓差、受力最大，與管束的相對運動最大，導致機械磨損最大。

2.4 工藝管理的影響

廢熱鍋爐停用期間保護不當，造成設備腐蝕。碎煤加壓氣化爐每年都會在夏季檢修，時間為1～3 周，且每臺爐平均每2 年就會進行一次大修，時間在45 d左右。在廢熱鍋爐停用后，管束表面的保護層受停車溫度變化影響而出現裂紋，此時漏進去的空氣會沿著裂紋侵蝕到金屬表面并導致金屬腐蝕。

碎煤加壓氣化爐開停車過于頻繁，且在建立廢熱鍋爐殼側液位時沒有進行暖管，同時鍋爐水流量偏大，使管束產生了一定的冷熱膨脹及伸縮和振動，產生機械磨損。

碎煤加壓氣化爐正常運行階段，鍋爐水給水量頻繁大幅度波動，其瞬時值在不到50 s 的時間內從9 m3/h增加到44 m3/h，導致管束受力不均引起振動，從而產生管束和折流板的相對摩擦；廢熱鍋爐殼側鍋爐水液位變化幅度也較大，液位在5 min 內變化值達到30%，導致廢熱鍋爐產汽量亦會大幅度變化，使折流板受力忽大忽小引起振動，從而產生管束和折流板的相對摩擦。上述兩種情況的發生將會產生機械磨損。

經過上述分析，判斷工藝管理不當也是導致廢熱鍋爐管束泄漏的主要原因之一。

3 防止廢熱鍋爐管束泄漏預防措施

3.1 鍋爐水壓力、流量、水質方面

為防止鍋爐水超設計壓力運行對廢熱鍋爐管束造成沖擊以及鍋爐水水質對廢熱鍋爐管束造成腐蝕，采取了以下防范措施：（1）在鍋爐水管線閥門后增加限流孔板，使鍋爐水符合設計壓力后進入廢熱鍋爐殼側；（2）重新調整鍋爐水調節閥PID 參數，使廢熱鍋爐殼側鍋爐水給水量及液位更加穩定；（3）將控制調節鍋爐水pH 值的藥劑由氨水更換為磷酸三鈉，保證鍋爐水呈堿性；（4）嚴格控制低壓鍋爐給水水質，按照規定檢查鍋爐水及排污水的pH、電導率、磷酸根、二氧化硅含量等。

3.2 防設備振動及管束相對運動方面

為降低廢熱鍋爐管束的無支撐跨距以提高管束的剛性，將廢熱鍋爐折流板由9 塊增加為10 塊，折流板厚度由16 mm 增加為24 mm。

為消除廢熱鍋爐設備內部中心管的晃動，減小管束振動幅度，在廢熱鍋爐內部中心管安裝固定支架。

為減小廢熱鍋爐出口低壓蒸汽管線振動，對低壓蒸汽管線支架進行改造、加固，包括增加滑動支架和導向支架、修改支架彈簧型號以及調整支架水平管底部支腿規格等。

嚴格把關與廢熱鍋爐相關的技改及變更項目，充分分析因改動可能導致的危害。

3.3 廢熱鍋爐的運行管理方面

廢熱鍋爐殼側在設備停車排空鍋爐水液位后需進行氮氣保護，防止空氣進入導致設備腐蝕，涉及設備檢修時除外[3]。

廢熱鍋爐殼側鍋爐水建立液位時，要嚴格按照操作方法進行暖管，前期嚴格控制鍋爐水給水量，待暖管合格后，分階段增加鍋爐水進水量。

盡量保證碎煤加壓氣化爐工況穩定，減少生產波動，降低設備停車次數。

4 結 語

某公司碎煤加壓氣化爐附屬設備廢熱鍋爐管束泄漏的原因是多方面的，其中有些問題如設備結構原因造成的管束機械磨損是無法徹底解決的，但通過加強對廢熱鍋爐運行管理及鍋爐水壓力、流量、水質的管理，并在防設備振動及管束相對運動方面進行技改及變更，可以遏制廢熱鍋爐管束泄漏，保證廢熱鍋爐設備的良好運行狀態。