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煤化工變換爐的風(fēng)險識別與控制

文檔作者：沈望文檔來源：惠生工程(中國)有限公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年11月26日
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第39卷第5期
2010年9月
石油化工設(shè)備
PETR()_CHEMICAI EQUIPMENT
Vo1．39 NO．5
Sept．2010
文章編號：i000—7466(2010)05 0073—03
煤化工變換爐的風(fēng)險識別與控制
沈 望
(惠生工程(中國)有限公司，上海201203)
摘要： 第Ⅲ 類壓力容器的風(fēng)險評估是基于失效模式設(shè)計方法的重要組成部分。對煤化工變換爐在
設(shè)計、制造和使用階段應(yīng)考慮的典型風(fēng)險進行了識別、分析和控制，提出了相應(yīng)的處理措施。
關(guān)鍵詞：煤化工變換爐；風(fēng)險識別；危害評估；控制
中圖分類號：TQ 052．5 文獻標(biāo)志碼：A
Risk IdentificatiOn and Control for Coal—chem ical Shift Furnace
SHEN Jun
(W ison Engineering Co． Ltd．，Shanghai 201203，China)
Abstract：Risk evaluation for 11I—type pressure vessel is an important component of the design
method based on failure m ode． Identification，analysis and control of the typical risks for coal
chemical shift furnace during the design，manufacture and use were discussed．Effective measures
are given at the as wel1．
Key words：coal chemical shift furnace；risk identification； risk evaluation； control
近年來，隨著化工工藝、化工裝備制造能力以及
相應(yīng)鋼材冶煉水平的不斷提高，各類壓力容器日益
·+ 一—+一··-4--”+ ··+ 一+ 一—f一一—-+一 一+ “-4-”—-+一··+ 一—-_卜“-I-”—- 一+ “—-+一
品的空白，已經(jīng)完全可以替代進口產(chǎn)品，滿足國內(nèi)石
化裝置對板殼式換熱器的需求。
(3)超大型板殼式換熱器的傳熱性能優(yōu)于設(shè)計
值，壓降值與設(shè)計值相當(dāng)或略高于設(shè)計值，可考慮進
一步優(yōu)化設(shè)計，使壓降值低于設(shè)計值。
(4)在石化裝置中采用國產(chǎn)超大型板殼式換熱
器可回收更多的熱能，最大限度地降低加熱爐的能
耗，在節(jié)省燃料油、降低裝置能耗指標(biāo)，減少二氧化
碳排放、減少環(huán)境污染方面有重要的經(jīng)濟和社會價
值，若考慮其在整個工藝流程中產(chǎn)生的效應(yīng)，其節(jié)能
減排效果將更加顯著。
參考文獻：
[1] 王光．板殼式換熱器在燕山石化重整裝置中的應(yīng)用
EJ]．石油化工設(shè)備，2009，38(4)：75—76．
[2] 汪光勝，周建新．板殼式換熱器在歧化裝置中的選用
向高參數(shù)、大容積、高風(fēng)險的方向發(fā)展。在這種發(fā)展
趨勢下，如何把壓力容器的使用風(fēng)險控制在可接受
” - 4-”—■一一+ 一十”-4--”—-卜”+ 一+ “+ 一-4-一+ 一+ 一+ “—-+一”+ ·
EJ]．石油化工設(shè)備，2008，37(5)：86 87．
姚田緒，畢開斌．板殼式換熱器在甲醇裝置中的應(yīng)用
[J]．石油化工設(shè)備，2009，38(3)：87—89．
張健，沈健明，李亮．全焊接板殼式熱交換器在熱
水伴熱中的應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2007，36(6)：87—
89．
王黎明，蘇 敏，鄒小平，等．板殼式換熱器在連續(xù)重整
裝置的應(yīng)用EJ]．石油化工設(shè)備，2010，39(1)：73—74．
趙建春，王志坤，張 聽，等．大型焊接板殼式換熱器在
重整裝置中的應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2005，34(3)：
51 53．
楊靈，孫豐海，賈艷秋．板殼式換熱器除垢清洗EJ]．
清洗世界，2009，25(5)：34—37．
周 夏，張克鋒，孫新華．板殼式換熱器在大型氮肥裝
上的應(yīng)用[J]．化肥設(shè)計，2007，45(2)：46～47．
(杜編)
收稿日期：2010 04—26
作者簡介：沈望(1980)，男，江蘇太倉人，工程師，碩士，從事化工設(shè)備設(shè)計工作。
]j ]
石油化工設(shè)備 2010年第39卷
的范圍內(nèi)，成為眾多學(xué)者研究的課題_1 ]，也引起了
各國相應(yīng)管理部門的關(guān)注。我國于2009—08 31頒
布的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》明確規(guī)
定，對第Ⅲ類壓力容器，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)出具包括主要失
效模式和風(fēng)險控制等內(nèi)容的風(fēng)險評估報告 ]。
以往壓力容器的設(shè)計通常比較注重強度計算，
其本質(zhì)是防止彈性失效。但壓力容器事故的調(diào)查表
明，事故原因大多數(shù)與強度計算和計算方法無關(guān)。
這就要求設(shè)計者在設(shè)計階段就要考慮壓力容器全設(shè)
計壽命期的各種可能的失效模式及其預(yù)防措施。設(shè)
計階段的風(fēng)險評估是世界壓力容器界提出的基于失
效模式設(shè)計理念的產(chǎn)物，該方法要求設(shè)計者對壓力
容器的設(shè)計進行風(fēng)險評估，內(nèi)容主要包括從設(shè)計到
報廢期間各種可能風(fēng)險的識別和控制 。筆者以某
煤化工變換爐為例，通過對其設(shè)計、制造和使用過程
中應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(或危害)進行識別、分析，提出
了相應(yīng)的風(fēng)險控制和處理措施。
l 煤化工變換爐簡介
某煤化工變換爐示意見圖l，為第Ⅲ類壓力容
器，屬于典型的高溫中壓臨氫設(shè)備。該設(shè)備規(guī)格為
—— 可I
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I
圖1 變換爐結(jié)構(gòu)簡圖
03 600 mm×5 660 mill×(95+6)mm。設(shè)計壓力
6．8 MPa，最高工作壓力6．4 MPa，設(shè)計溫度450℃ ，
介質(zhì)為水煤氣／變換氣，主要成分cO、C02、H O、H 、
微量H。S和NH。。氫分壓(入口／出口)為(1．36／
2．18)MPa，主要材料SA387Gr．11CI．2，內(nèi)壁堆焊不
銹鋼。工作原理為工藝介質(zhì)中的H。O和C0在催化
劑條件下產(chǎn)生放熱反應(yīng)，生成H 和CO 。
風(fēng)險控制貫穿于壓力容器全壽命周期，設(shè)計是
第一關(guān)。
2 設(shè)計階段應(yīng)考慮的典型風(fēng)險
2．1 預(yù)防材料劣化
煤化工變換爐是典型的臨氫設(shè)備，氫腐蝕是其
最易發(fā)生的失效模式之一。在一定的氫分壓和溫度
下，氫原子緩慢進入鋼中使之脫碳，與鋼中的碳化鐵
(Fe。C)生成甲烷(CH )，使材料劣化甚至鼓泡、開
裂。設(shè)計時應(yīng)按最新版Nelson曲線，根據(jù)設(shè)計溫度
和氫分壓來選取合適的材料。為確保設(shè)備的可靠
性，殼體板材選用SA387Gr．11C1．2，鍛件材質(zhì)為
14CrlMo。為了提高對高溫氫和硫化氫的耐腐蝕性
能，設(shè)備內(nèi)壁堆焊2層不銹鋼，過渡層的材質(zhì)為
E3o9L、面層為E347I 。
由于設(shè)備的主體材質(zhì)屬于Cr—Mo鋼，根據(jù)實踐
經(jīng)驗，其長期在高溫下運行，會出現(xiàn)回火脆化的現(xiàn)
象。鋼中的合金元素錳、硅、硫、磷等會促使材料脆
化。一般通過控制鋼中有害元素的化學(xué)成分來減小
其回火脆化的傾向。具體可通過對_，系數(shù)和x 系
數(shù)的計算及步冷實驗來評定。
2．2 預(yù)防材料彈性失效
煤化工變換爐的設(shè)計是基于文獻[9]的常規(guī)設(shè)
計。值得注意的是，按國外標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼材的許用
應(yīng)力值應(yīng)不大于按國外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范提供的力學(xué)性能
保證值與文獻[9]規(guī)定的安全系數(shù)求得的值，故
SA387Gr．11C1．2的屈服強度按文獻[10]選取，材
料的安全系數(shù)按文獻E9]選取，而非ASME標(biāo)準(zhǔn)。
此外，設(shè)備最終厚度應(yīng)在計算值的基礎(chǔ)上加一定的
裕量。正確地選取許用應(yīng)力、安全系數(shù)、計算方法并
給予合理的安全裕度，才能保證變換爐的強度。
3 制造過程的風(fēng)險
煤化工變換爐的制造過程涉及焊接、熱處理、檢
驗和試驗等諸多環(huán)節(jié)，各個工序的質(zhì)量高低直接影
響設(shè)備的可靠性。針對煤化工變換爐的主體材質(zhì)，
在其制造過程中應(yīng)考慮以下風(fēng)險。
第5期 沈 望：煤化工變換爐的風(fēng)險識別與控制
3．1 淬硬與冷裂紋
Cr—Mo鋼焊接時，有不同程度的淬硬傾向，焊
縫金屬和熱影響區(qū)可能形成對冷裂紋敏感的組織。
為了避免淬硬和冷裂紋，焊前應(yīng)預(yù)熱到15O～
300。C，在焊接過程中保持這一層間溫度l1 。
3．2 再熱裂紋
Cr—Mo鋼在焊后去應(yīng)力退火的過程中，在熔合
線的粗晶區(qū)易產(chǎn)生細小的裂紋，通常稱再熱裂紋或
去應(yīng)力退火裂紋。為防止再熱裂紋，可嚴格控制V、
Nb、Ti等再熱裂紋敏感元素，采用低氫焊條，適當(dāng)
提高預(yù)熱和后熱溫度。通過嚴格進行表面無損檢測
把裂紋控制在可接受范圍內(nèi)，超標(biāo)缺陷應(yīng)補焊。
制造中還應(yīng)考慮焊接擴散氫、回火脆性、堆焊層
變形及壓力試驗過程中的破裂等風(fēng)險及其危害。
4 使用過程中的危害識別與控制
4．1 變形與斷裂
煤化工變換爐中的變換反應(yīng)是氣化狀態(tài)下完成
的放熱反應(yīng)，溫度升高時，不僅內(nèi)壓會升高，而且材
料的許用應(yīng)力會下降，可能出現(xiàn)變形甚至斷裂失效。
為了防止反應(yīng)超溫，設(shè)置了4個溫度傳感器來實時
監(jiān)測內(nèi)部不同位置的反應(yīng)溫度，同時通過冷煤氣入
口注入冷煤氣來控制可能出現(xiàn)的反應(yīng)超溫。此外，
設(shè)備出口管道上也設(shè)有安全附件。用戶在使用過程
中，應(yīng)充分利用這些措施密切監(jiān)控變換爐的內(nèi)部溫
度，避免超溫。
4．2 氫脆與氫腐蝕
正常工況下，設(shè)備材料在Nelson曲線安全區(qū)工
作，但一旦發(fā)生溫度或壓力上升，極可能發(fā)生氫脆或
氫腐蝕。盡管氫脆對材料造成的損傷是可逆的，但
隨著時問的延長很可能造成不可逆的氫腐蝕，使材
料脫碳或鼓泡。此類失效以預(yù)防為主，除了控制好
設(shè)備運行的溫度與壓力外，用戶應(yīng)定期對設(shè)備進行
宏觀檢測，還應(yīng)對筒體、封頭等主要受壓元件進行硬
度檢測，必要時應(yīng)對相關(guān)部位進行無損檢測乃至金
相組織分析。由于氫腐蝕有一定的孕育期，可能長
達幾年，所以設(shè)備使用后期有必要增加檢測的頻度。
必要時，也可在投用時內(nèi)部放置與主材一致的試板，
方便在設(shè)備運行一段時問后檢測材料的各項性能。
4．3 堆焊層剝離
煤化工變換爐的主材為SA387Gr．11C1．2不銹
鋼。設(shè)備在長期運行過程中，會經(jīng)歷多次啟動、停機
以及檢修等過程。在這些工況下，溫度的升降可能
會使堆焊層和母材之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，也可能導(dǎo)致氫
聚集于堆焊層和母材之間，使堆焊層和母材撕裂，這
對設(shè)備的安全運行影響甚大。除了在制造時嚴格控
制堆焊層的質(zhì)量外，在設(shè)備啟動、停機過程中壓力和
溫度的升降要平穩(wěn)，檢修檢測時，要重視對堆焊層剝
離的檢測，及時發(fā)現(xiàn)及時處理。
4．4 密封
在煤化工變換爐的使用過程中還應(yīng)考慮法蘭和
接頭的致密性失效、介質(zhì)少量泄漏、大量涌出甚至爆
炸等其它風(fēng)險的控制和處理。
5 結(jié)語
壓力容器風(fēng)險最大、最易失效是在投用后，但也
與其設(shè)計和制造過程關(guān)系密切。文中對煤化工變換
爐設(shè)計、制造和使用過程中應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(或危
害)進行的分析及提出的風(fēng)險控制和處理措施也說
明了這一點。因此，壓力容器的設(shè)計者應(yīng)積極推廣
和應(yīng)用基于失效模式的設(shè)計新理念。用戶也應(yīng)更多
了解設(shè)備的基本信息、注意事項、可能的破壞形式及
相應(yīng)措施，這樣才能保證設(shè)備在預(yù)定操作條件下的
本質(zhì)安全。
參考文獻：
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[9] GB 150—1998，鋼制壓力容器Es]．
[10]ASME II A 2()(]4，F(xiàn)errous Material Specification[s]．
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析及修復(fù)口]，大氮肥，2007，30(5)：331 333．
(杜編)

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