Обсуждение проблемы утечек в котле для синтеза метанола

Thread Content

Резюме исследования проблемы утечек в реакторе для синтеза метанола: проведен анализ причин возникновения утечек в процессе эксплуатации реактора, а также изучены способы устранения этих недостатков. Результаты исследования могут служить ориентиром при производстве и использовании реакторов для синтеза метанола. Ключевые слова: параметры, обнаружение дефектов, трещины, напряжения, причины, методы устранения, меры. 1. Введение Для предприятий химической промышленности стабильность, надежность и эффективность работы ключевого оборудования являются факторами, определяющими их выживание. В установках по производству метанола котел синтеза метанола является ключевым оборудованием всей установки. Любые неисправности в этом оборудовании могут повлиять на работу всей системы. Кроме того, его производство сопряжено с большими трудностями, длительными сроками изготовления и высокими затратами. В установке по производству метанола три реактора для его синтеза соединены в один комплекс. Один из этих реакторов был введен в эксплуатацию в июне 2000 года. Это реактор типа трубчато-коробочного; катализатор на основе меди расположен внутри трубок. Синтез-газ вступает в реакцию с катализатором, в результате чего образуется метанол. В трубчатом канале находится вода котла, которая служит для отвода тепла, образующегося в процессе реакции внутри труб, при этом получается пар. В процессе эксплуатации башни при отборе проб не конденсируемого газа из котла был обнаружен газ CO; после множественных анализов проб было установлено, что в башне происходит внутренняя утечка. Во время технического обслуживания были обнаружены множество трещин в угловых сварных соединениях пластины труб и в самом основании конструкции. При использовании метода детекции электромагнитных полей было выявлено, что у 12 труб имеются дефекты на внешней поверхности различной степени серьезности. 2. Параметры и характеристики колонны для синтеза метанола приведены в таблице 1. Материал трубок в котле для синтеза метанола — двухфазная нержавеющая сталь SAF2205; всего имеется 2292 трубки ； Длина трубчатых элементов — 7 м, спецификации трубчатых элементов — Ф44×2 мм. Толщина основного слоя трубчатой пластины составляет 70 мм; материал – 20MnMoNi55. Переходный слой формируется путем напыления сварочным электродом E309L толщиной 2 мм, а поверхностный слой – путем напыления электродом E308MoL толщиной 5 мм. 3. Ситуация с обнаружением дефектов: после того как в синтезаторе была обнаружена внутренняя утечка, были приняты меры по демонтажу катализатора с целью выявления источника утечки. Во время гидравлического испытания корпуса синтезатора при давлении 2,8 МПа были обнаружены два места утечки на верхней трубной пластине: одно из них — трещина в угловом сварном шве труб, а другое — пористость в слое наплавки трубной пластины. Методы неразрушающего контроля, применяемые для трубчатых пластин оборудования в корпусно-трубчатом типе, угловых сварных швов трубчатых пластин и труб, включают поверхностный осмотр, методы с использованием магнитного порошка, рентгеновских лучей и электромагнитных волн. Учитывая особенности конструкции и материалов данной синтезационной колонны, для более полного выявления дефектов оборудования сначала проводится 100%-ный контроль с помощью метода ПТ. В результате этого контроля была обнаружена 1 трещина, а также 12 предполагаемых поров (мелкие дефекты можно не устранять). Для трубок с промежутками между ними используется метод детекции посредством электромагнитных волн в сочетании с визуальным осмотром поверхности с помощью эндоскопа. Результаты проверки приведены в таблице 2 и на рисунке 1. После шлифовки вручную с помощью ручного шлифовального круга было установлено, что две трещины на пластинах трубопровода, обнаруженные в ходе гидравлического испытания, представляли собой разрывы в угловых сварных соединениях труб. После шлифовки до глубины примерно 3 мм трещины исчезли. После шлифовки песчинок в трубчатой пластине было обнаружено множество скрытых трещин; после удаления 7 мм слоя нанесенного на поверхность материала выяснилось, что в основном слое трубчатой пластины также имеется большое количество трещинных дефектов. 4. Анализ причин. На основе оценки вышеуказанных дефектов в сочетании с состоянием использования оборудования был проведен комплексный анализ. Причины возникновения множества дефектов в синтезаторе заключаются в следующем. (1) Усталостные трещины, возникающие в результате длительной эксплуатации. Усталостный разрыв обычно возникает в местах с непрерывностью геометрии и других участках, где легко происходит концентрация напряжений. Эта синтезирующая установка эксплуатируется уже почти 20 лет. Угловые сварные соединения трубчатой пластины постоянно подвергаются воздействию различных факторов: колебаний давления, изменений температуры, ударов воды из котла. Особенно сильное воздействие оказывается во время периодов изменения производственных процессов и технического обслуживания оборудования – за это время происходит десятки запусков и остановок установки. Во время этих процессов температура и давление сильно меняются. Кроме того, угловые сварные соединения находятся в зонах с высокой концентрацией напряжений, что способствует возникновению усталостных трещин. Это также одна из причин появления трещин в угловых сварных швах трубчатой пластины конвертера. (2) Действие напряжений, обусловленных разницей температур. При установке катализатора в колонну для синтеза метанола, с целью максимального повышения эффективности реакции, достижения максимальной производительности и снижения расходов, катализатор также устанавливается на определенной высоте над верхней пластиной колонны. Это делается для компенсации уменьшения объема нового катализатора после его нагрева и восстановления, что приводит к образованию пустот внутри трубок колонны. Однако из-за неравномерной загрузки или различий в изменении объема в процессе нагрева и восстановления происходит неравномерное распределение катализатора между трубками на теплообменной пластине. В процессе производства катализатор реагирует с синтез-газом, выделяя большое количество тепла. Часть тепла от реакции катализатора не может быть своевременно уведена, что приводит к образованию локальных зон высоких температур. Из-за разницы температур между теплообменной пластиной и трубками возникают различные температурные слои, что в свою очередь создает значительные напряжения, связанные с разницей температур. Это различие температур создает напряжения, которые способствуют возникновению трещин в угловых сварных соединениях трубчатой пластины. (3) Тенденция к водородному хрупкости у высокопрочных сталей низкого класса. Условия, способствующие гидродинамической коррозии, в основном заключаются в давлении водорода, температуре, времени воздействия и химическом составе стали. Согласно известной кривой Нельсона и фактическим данным, для углеродистой стали водородная коррозия не происходит только при давлении водорода ниже 1 МПа или при температуре ниже 200 °C. Материал основного слоя трубчатой пластины — высокопрочная термостойкая сталь 20MnMoNi55. У этого материала снижается пластичность и прочность на изгиб, а хрупкость увеличивается; кроме того, он обладает высокой склонностью к водородной хрупкости. В среде реактора для синтеза метанола преобладает водород. В условиях высокого давления водорода и высокой температуры возникает серьезная угроза коррозии материалов оборудования из-за воздействия водорода. (4) Структура трубчатой пластины. Диаметр трубчатой пластины этого оборудования составляет 2800 мм, а толщина — 77 мм. В процессе производства обе стороны трубчатой пластины подвергаются неравномерному нагреву, в результате чего возникает определенная разница температур. По мере увеличения толщины эта разница температур становится все больше, что приводит к значительным тепловым напряжениям. Кроме того, котел для синтеза метанола имеет фиксированную трубчатую пластину; материал корпуса — 20MnMoNi55, а материал трубок — SAF2205. У этих двух материалов разные коэффициенты теплового расширения, что в условиях различных режимов работы приводит к значительным напряжениям, вызванным тепловым расширением и сжатием. Упомянутые выше напряжения, возникающие в результате изменений температуры, также являются одной из причин появления трещин в угловых сварных соединениях трубчатого агрегата. (5) Конструкция самого устройства. Размеры теплообменных труб в котле для синтеза метанола составляют Ф44×2 мм; конструкция — с фиксированными перегородками. Всего используется 3 поддерживающие пластины, расстояние между которыми составляет соответственно 1770 мм, 1720 мм и 1720 мм. Результаты детекции турбулентных потоков выявили дефекты на внешней поверхности трубчатых элементов; более 50% из этих дефектов располагались вблизи опорных пластин. Таким образом, в процессе длительной эксплуатации из-за вибраций возникает трение между трубками и опорными пластинами, что приводит к локальному износу и утончению внешней стенки трубок. При длительном воздействии это создает серьезные риски для безопасности оборудования. 5. Устранение дефектов и меры предотвращения. В зависимости от дефектов, обнаруженных с помощью различных методов контроля, для обеспечения дальнейшей безопасной работы синтезатора, существующие дефекты устраняются в соответствии с приведенными ниже правилами. (1) Устранение дефектов в виде трещин. Первый шаг: сначала с помощью теста PT определить местоположение и размеры трещиновых дефектов ； На втором этапе сначала с помощью дреля делаются отверстия на концах трещины для её остановки, затем трещина шлифуется с помощью ручной шлифовальной машины. После этого проводится проверка с использованием метода PT, чтобы убедиться, что трещина полностью устранена ； На третьем этапе трубы для теплообмена закрываются асбестовыми ковриками, затем производится предварительное нагревание перед сваркой; температура предварительного нагревания должна быть выше 150°C. После этого выполняется ручная сварка с использованием аргонового дугового сварочного аппарата, а также проводится процедура удаления водорода. (2) Дефекты утончения трубок. Первый шаг: определить трубки, подлежащие утончению, провести предварительную очистку перед сваркой; с помощью специальных абразивных кругов из нержавеющей стали удалить грязь в радиусе 20 мм вокруг отверстий трубок, чтобы стал виден металлический блеск ； На втором этапе внутренние стенки трубок очищаются путем прямого шлифования, чтобы проявился металлический блеск ； На третьем этапе с помощью сверла делаются небольшие отверстия диаметром Ф8 мм во внутренней стенке трубок, которые необходимо закрыть. Это позволяет обеспечить одинаковые условия внутри трубок и в корпусе при их работе. Таким образом, трубки не будут подвергаться давлению в процессе работы, а также будет сохранено равновесие температур внутри и снаружи ； На четвертом этапе в оба конца трубы вставляются затычки, затем с помощью ручного сварки аргоновым дуговым методом создаются угловые соединения; при этом температура межслойного пространства должна контролироваться так, чтобы она не превышала 150°C. После устранения всех дефектов проводится 100%-ная проверка методом ПТ, а также гидравлическое испытание для подтверждения соответствия требованиям. Исходя из процесса эксплуатации и технического обслуживания колонн для синтеза метанола, а также на основе выявления дефектов и анализа их причин, для эффективного предотвращения возникновения различных дефектов при выборе оборудования и его эксплуатации рекомендуется учитывать следующие моменты. (1) С точки зрения выбора материалов для оборудования следует выбирать материалы с хорошей стойкостью к водородному коррозионному воздействию, находящиеся в пределах безопасного диапазона использования. Из кривой Нельсона видно, что чем выше содержание в стали таких элементов, как хром, молибден и ванадий, тем лучше её устойчивость к коррозии под действием водорода при высоких температурах. Поскольку эти элементы являются стабилизаторами углерода, их добавление в сталь позволяет образовывать стабильные сплавные карбиды с углеродом, тем самым снижая склонность стали к метанизации. В то же время необходимо строго избегать наличия в стали дисперсных неметаллических примесей, поскольку водород или метан могут скапливаться в этих участках, что приводит к хрупкому разрушению металла. Кроме того, состояние термообработки стали также оказывает значительное влияние на коррозию при высоких температурах в присутствии водорода. В процессе изготовления оборудования качество отжига стальных листов и термообработки после сварки также является важным фактором, влияющим на возникновение гидрогенных трещин в оборудовании. (2) Форма соединения трубчатого пакета и трубной пластины в этой синтезаторной колонне предусматривает использование метода сварки с усилением конструкции + применение специальных усиливающих элементов. Такая конструкция приводит к тому, что угловые швы труб находятся в зоне высоких температур, что делает их уязвимыми к тепловым ударам и возникновению трещин. Рекомендуется использовать сварку в глубоких отверстиях: такая конструкция позволяет скрыть шов в зоне низких температур, снижая тем самым воздействие тепловых ударов. (3) Разумный контроль работы в рабочих условиях. В процессе эксплуатации обеспечивайте стабильную работу, избегайте сильных колебаний объема газа, температуры и давления, а также снижайте разницу давлений в трубчатой и корпусной частях. В процессе включения и выключения устройства необходимо строго контролировать скорость изменения температуры внутри оборудования, чтобы избежать напряжений, возникающих из-за слишком резких изменений температуры. (4) Использование более совершенных и рациональных технологий конструкции новых аппаратов для синтеза метанола. В настоящее время существуют два основных типа конструкций реакторов для синтеза метанола. Первый тип турбин для синтеза метанола при низком давлении использует трубчатую конструкцию; внутри труб размещен катализатор, а между трубами находится кипящая вода. Тепло реакции передается через стенки труб к кипящей воде, что приводит к образованию пара. Температурные условия во всей системе синтез-колонны контролируются с помощью давления пара, что позволяет поддерживать температуру в слое катализатора на примерно одинаковом уровне. Однако такая конструкция синтез-колонны неизбежно приводит к некоторым отклонениям в контроле температуры, что в свою очередь создает напряжения из-за разницы температур и сказывается на эффективности работы синтез-колонны. Второй тип термоизотермического реактора для синтеза метанола представляет собой односекционный термоизотермический реактор с охлаждением за счёт кипящей воды в спиральных трубках. Внутри башни спиральные трубки расположены в слое катализатора; воду для котла подают с нижней части трубок, а с верхней части выходит пар среднего давления и циркуляционная вода. Благодаря системе циркуляции воды обеспечивается стабильность температуры в системе, что позволяет не только повысить эффективность синтетических реакций, но и за счет изотермического контроля эффективно снизить напряжения, возникающие из-за различий температур в отдельных участках синтезатора. 6. Заключение. Как ключевое оборудование, реактор для синтеза метанола требует надежной и стабильной работы. При создании установок по производству метанола необходимо выбирать разумные технологические процессы, а также использовать современные методы производства оборудования и оптимальные его конструктивные решения ； С другой стороны, необходимо обеспечить контроль и оптимизацию показателей оборудования в процессе производства, чтобы гарантировать его надежную и стабильную работу ； Кроме того, в качестве производственного подразделения осуществляется специальная защита ключевого оборудования в рамках управления оборудованием, с целью максимального обеспечения его безопасной и стабильной работы в течение длительного времени с помощью различных методов.