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煤化工變換爐的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制

文檔作者：沈望文檔來(lái)源：惠生工程(中國(guó))有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(hào)：i000—7466(2010)05 0073—03
煤化工變換爐的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制
沈 望
(惠生工程(中國(guó))有限公司，上海201203)
摘要： 第Ⅲ 類壓力容器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是基于失效模式設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。對(duì)煤化工變換爐在
設(shè)計(jì)、制造和使用階段應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)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(xiǎn)識(shí)別；危害評(píng)估；控制
中圖分類號(hào)：TQ 052．5 文獻(xiàn)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(lái)，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(jìn)口產(chǎn)品，滿足國(guó)內(nèi)石
化裝置對(duì)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(jì)
值，壓降值與設(shè)計(jì)值相當(dāng)或略高于設(shè)計(jì)值，可考慮進(jìn)
一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使壓降值低于設(shè)計(jì)值。
(4)在石化裝置中采用國(guó)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(jì)和社會(huì)價(jià)
值，若考慮其在整個(gè)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(xiàn)：
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向高參數(shù)、大容積、高風(fēng)險(xiǎn)的方向發(fā)展。在這種發(fā)展
趨勢(shì)下，如何把壓力容器的使用風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受
” - 4-”—■一一+ 一十”-4--”—-卜”+ 一+ “+ 一-4-一+ 一+ 一+ “—-+一”+ ·
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重整裝置中的應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2005，34(3)：
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(杜編)
收稿日期：2010 04—26
作者簡(jiǎn)介：沈望(1980)，男，江蘇太倉(cāng)人，工程師，碩士，從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)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(guó)相應(yīng)管理部門的關(guān)注。我國(guó)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(duì)第Ⅲ類壓力容器，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)出具包括主要失
效模式和風(fēng)險(xiǎn)控制等內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告 ]。
以往壓力容器的設(shè)計(jì)通常比較注重強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算和計(jì)算方法無(wú)關(guān)。
這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段就要考慮壓力容器全設(shè)
計(jì)壽命期的各種可能的失效模式及其預(yù)防措施。設(shè)
計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是世界壓力容器界提出的基于失
效模式設(shè)計(jì)理念的產(chǎn)物，該方法要求設(shè)計(jì)者對(duì)壓力
容器的設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，內(nèi)容主要包括從設(shè)計(jì)到
報(bào)廢期間各種可能風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和控制 。筆者以某
煤化工變換爐為例，通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程
中應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(xiǎn)(或危害)進(jìn)行識(shí)別、分析，提出
了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制和處理措施。
l 煤化工變換爐簡(jiǎn)介
某煤化工變換爐示意見(jiàn)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
I
圖1 變換爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
03 600 mm×5 660 mill×(95+6)mm。設(shè)計(jì)壓力
6．8 MPa，最高工作壓力6．4 MPa，設(shè)計(jì)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(xiǎn)控制貫穿于壓力容器全壽命周期，設(shè)計(jì)是
第一關(guān)。
2 設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(xiǎn)
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(jìn)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(kāi)
裂。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按最新版Nelson曲線，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度
和氫分壓來(lái)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(duì)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(guò)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(shí)踐
經(jīng)驗(yàn)，其長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)回火脆化的現(xiàn)
象。鋼中的合金元素錳、硅、硫、磷等會(huì)促使材料脆
化。一般通過(guò)控制鋼中有害元素的化學(xué)成分來(lái)減小
其回火脆化的傾向。具體可通過(guò)對(duì)_，系數(shù)和x 系
數(shù)的計(jì)算及步冷實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)定。
2．2 預(yù)防材料彈性失效
煤化工變換爐的設(shè)計(jì)是基于文獻(xiàn)[9]的常規(guī)設(shè)
計(jì)。值得注意的是，按國(guó)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(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范提供的力學(xué)性能
保證值與文獻(xiàn)[9]規(guī)定的安全系數(shù)求得的值，故
SA387Gr．11C1．2的屈服強(qiáng)度按文獻(xiàn)[10]選取，材
料的安全系數(shù)按文獻(xiàn)E9]選取，而非ASME標(biāo)準(zhǔn)。
此外，設(shè)備最終厚度應(yīng)在計(jì)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(jì)算方法并
給予合理的安全裕度，才能保證變換爐的強(qiáng)度。
3 制造過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)
煤化工變換爐的制造過(guò)程涉及焊接、熱處理、檢
驗(yàn)和試驗(yàn)等諸多環(huán)節(jié)，各個(gè)工序的質(zhì)量高低直接影
響設(shè)備的可靠性。針對(duì)煤化工變換爐的主體材質(zhì)，
在其制造過(guò)程中應(yīng)考慮以下風(fēng)險(xiǎn)。
第5期 沈 望：煤化工變換爐的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制
3．1 淬硬與冷裂紋
Cr—Mo鋼焊接時(shí)，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(duì)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(guò)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(guò)程中，在熔合
線的粗晶區(qū)易產(chǎn)生細(xì)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(yán)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(guò)嚴(yán)格進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)
把裂紋控制在可接受范圍內(nèi)，超標(biāo)缺陷應(yīng)補(bǔ)焊。
制造中還應(yīng)考慮焊接擴(kuò)散氫、回火脆性、堆焊層
變形及壓力試驗(yàn)過(guò)程中的破裂等風(fēng)險(xiǎn)及其危害。
4 使用過(guò)程中的危害識(shí)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(shí)，不僅內(nèi)壓會(huì)升高，而且材
料的許用應(yīng)力會(huì)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(gè)溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)
監(jiān)測(cè)內(nèi)部不同位置的反應(yīng)溫度，同時(shí)通過(guò)冷煤氣入
口注入冷煤氣來(lái)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(guò)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(duì)材料造成的損傷是可逆的，但
隨著時(shí)問(wèn)的延長(zhǎng)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(yùn)行的溫度與壓力外，用戶應(yīng)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行
宏觀檢測(cè)，還應(yīng)對(duì)筒體、封頭等主要受壓元件進(jìn)行硬
度檢測(cè)，必要時(shí)應(yīng)對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)乃至金
相組織分析。由于氫腐蝕有一定的孕育期，可能長(zhǎng)
達(dá)幾年，所以設(shè)備使用后期有必要增加檢測(cè)的頻度。
必要時(shí)，也可在投用時(shí)內(nèi)部放置與主材一致的試板，
方便在設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)問(wèn)后檢測(cè)材料的各項(xiàng)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷多次啟動(dòng)、停機(jī)
以及檢修等過(guò)程。在這些工況下，溫度的升降可能
會(huì)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(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行影響甚大。除了在制造時(shí)嚴(yán)格控
制堆焊層的質(zhì)量外，在設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中壓力和
溫度的升降要平穩(wěn)，檢修檢測(cè)時(shí)，要重視對(duì)堆焊層剝
離的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理。
4．4 密封
在煤化工變換爐的使用過(guò)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(xiǎn)的控制和處理。
5 結(jié)語(yǔ)
壓力容器風(fēng)險(xiǎn)最大、最易失效是在投用后，但也
與其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程關(guān)系密切。文中對(duì)煤化工變換
爐設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中應(yīng)考慮的典型風(fēng)險(xiǎn)(或危
害)進(jìn)行的分析及提出的風(fēng)險(xiǎn)控制和處理措施也說(shuō)
明了這一點(diǎn)。因此，壓力容器的設(shè)計(jì)者應(yīng)積極推廣
和應(yīng)用基于失效模式的設(shè)計(jì)新理念。用戶也應(yīng)更多
了解設(shè)備的基本信息、注意事項(xiàng)、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。
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(杜編)

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