40万吨_年甲醇装置一段转化炉输气总管金属衬里整体更换及结构改造.docx

机械与土建40万吨 / 年甲醇装置一段转化炉输气总管金属衬里整体更换及结构改造陈瑞刚泸天化绿源醇业公司检修车间摘 要针对一段转化炉输气总管金属衬里鼓包 、变形 、开裂以及材质劣化等缺陷 ,对原金属材料以及节点结构作了更换和改造 ,提高了设备的运行使用质量 ,两年的使用效果证明 ,此改造是成功的 ,可望大大延长金属衬里的使用寿命 。关键词输气总管金属衬里更换改造1 前言转化气进口管 。输气总管金属衬里共 14 个筒节 ,设有 13 条 膨胀缝 。 14 个筒节分 4 种长度尺寸 ,除筒节 2 为11节外 ,其余筒节 1、3、4数量均为 1 节 。筒节 2、3、4通过与承压壳体上的 13 个锥形圈焊接连接 ,并分别以焊接位置为固定点 ,向两边热膨胀 ,筒节1没设固定点 ,两端都留有热膨胀余量 。设备基 本结构见图 1。2. 2 设备基本数据泸天化绿源醇业有限责任公司 40万吨 /年甲醇装置于 2005年 12月建成投产 。装置的一段转 化炉输气总管采用的是美国凯洛格公司 70 年代设计制造的库存二手设备 ,以前从未使用过 。装置投产运行后 ,于 2006 年大修期间检查发现 ,输 气总管内金属衬里出现了局部变形及开裂现象 , 金属衬里下的耐热混凝土已被局部冲刷脱落 ,严 重威胁到设备的安全运行 ,大修期间对已损坏的金属衬里进行了修补 、更换 。 2007 年大修期间再 次检查时发现 ,金属衬里的其他部位又出现了更 大范围的严重变形和开裂现象 ,金属衬里已基本 失效 ,鉴于此种情况 ,为了保证设备的安全运行 , 经过分析了损坏原因后对输气总管内的金属衬里全部进行了整体更换 。设计温度 :852 260 (承压壳体 )金属设计温度 :设计压力 :操作压力 :正常工况下 :3. 6 m pa3. 22 m pa转化气出口温度 :760 转化气出口压力 :3. 0 m pa腐蚀裕度 :3mmi 762 17mmsa 285 gr. ci 502 3mmsa 240 - tp3042 设备概况承压壳体尺寸 :材质 :金属衬里尺寸 :材质 :2. 1 设备简介输气总管 (设 备 位号y0202 ) 为 卧 式 安 装 的一段转化炉转化气出口集气总管 ,设备结构从外至内分为 4 层 : 水夹套层 、承压壳体 、浇注的耐热 混凝土层和不锈钢金属衬里 ,设备总长 26米 。输 气总管正下方分别与 12根上升管焊接连接 ,西端为盲板连接结构 。输气总管的支撑为 : 西端 1 个 刚性铰链吊挂支撑 , 中部 12 个等距弹簧吊挂 支 撑 ,东端通过延伸段连接到二段转化炉 (d0203 )3 损坏原因从 2006年大修期间对金属衬里修补和2007年大修期间整体更换金属衬里拆卸过程 ,以及对拆卸的旧金属衬块解剖分析发现 ,其损坏失效的 原因有以下两个方面 。254泸天化科 技2009年第 3期2006年在对金属衬里进行局部拆卸 、修补的过程中 ,发现原设备制造厂在安装过程中误将部 分膨胀缝节点处垫板的端面与相搭接的金属衬里 筒节的背面焊接成了固定端 (在金属衬 里修 补 、 更换过程中才能看到 ,见图 2 ) 。由于焊成了固定端 ,致使膨胀缝处的金属衬里筒节在高温操作状 况下轴向方向不能正常伸缩 ,导致热膨胀受阻 ,从 而造成了金属衬里严重变形 、撕裂等损坏 (见图3 ) 。图 2 金属衬里筒节膨胀缝节点背面焊接成固定端示意图3. 2 材料选用不当原金属衬里设计采用的是 sa 240 - tp304 不 锈钢板 , 这 种 材 料 的 耐 高 温 性 能 较 差 , 在 高 温( 700 )状态下长时间使用 , 会使其 组 织发 生很 大的变化 , 铁素体明显增加 , 同时伴随有 相析 出 。材料的机械力学性能和物理性能都会发生较 大的变化 ,硬度 、屈服强度明显提高 ,而塑性 、韧性 明显下降 1 。从现 场 拆 卸 的 金 属 衬 里 板 块 检 查发现 , 其金属表面已局部发黑 , 出现表面碳化现 象 ,金属塑性降低 ,材质劣化趋势明显 (见图 3 ) 。图 1 输气总管基本结构图图 3 金属衬里表面发黑碳化 ,严重变形 、撕裂脱落损坏示意图3. 1 金属衬里制造安装质量问题2552009年第 3期40万吨 /年甲醇装置一段转化炉输气总管金属衬里整体更换及结构改造4 金属衬里的整体更换与膨胀缝节点结构改造针对上述原因和设备管理及长周期安全运行的需要 ,决定整体更换输气总管金属衬里 ,拆除原 有的 sa240 - tp304 金属衬里 筒节 ( 508 3mm25908mm ) , 全 部 更 换 为 耐 高 温 性 能 更 好 的 sa 240 - 310 s板材 。同时保留原浇注的耐热混凝 土 ,只对其损坏的部分进行局部修复 ,在更换金属 衬里筒节过程中保留原焊在承压壳体上的 13 节 锥形定位圈 ,对各膨胀缝处的节点结构进行改造 ,同时加强安装质量过程控制 ,确保施工质量 。4. 1 金属衬里筒节膨胀缝节点结构的改造 由于原金属衬里筒节的安装程序是先分段安装 、焊接锥形圈和金属衬里筒节 ,再浇注耐热混凝 土 。而这次更换新金属衬里筒节是在保留原耐热混凝土 ,以及耐热混凝土中的锥形圈的基础上进 行安装 ,安装顺序发生了变化 。因此 ,新金属衬里 筒节与锥形圈的焊接节点结构无法按原样进行恢 复 ,所以我们对其节点结构进行了改造 。在图 1 中金属衬 里筒 节 的节 点 结 构 有 、3 种 类型 ,我们按照 3种类型的不同结构进行了改造 ,图4、图 5、图 6 分别为金属衬里筒节节点 、 改造前后的结构比较 。图 5金属衬里筒节节点结构 改造前后的比较图 6金属衬里筒节节点结构 改造前后的比较4. 2 金属衬里筒节热膨胀量的校核计算由于新安 装的 金 属衬 里筒 节 焊 接 节 点 的 位 置 、结构形式以及金属筒节的长度发生改变 ,为保 证新更换的金属衬里筒节有足够的热膨胀余量 , 按照节点结构改造后金属衬里筒节的实际长度尺 寸 ,对新更换的金属衬里筒节的热膨胀量重新进 行了计算 ,并与预留膨胀缝尺寸进行了校核 。金属衬里筒节热膨胀量计算公式 :l =t l 图 4 金属衬里筒节节点结构 改造前后的比较256泸天化科 技2009年第 3期式中 : l 金属衬里筒节的热膨胀量 , mm;t金属衬里筒节温度 , ;l 金属衬里筒节的实际长度 , mm; 线膨胀系数 。查阅 gb 150 1998 表 f6 c r25n i20 的 线 膨 胀系数 再外推估计 2 , 在 760 与常温之间 以 17. 39 10 - 6 mm /mm 计 。金属衬里筒节轴向膨胀量计算 (金属筒节见 图 1 所示 ) :a. 金属筒节 1: 该筒节 ( 1 节 ) 两端都为自由膨胀端 ,全长 1638 mm。其中 ,西侧端部冷态预留 间隙 38mm , 东侧与金属筒节 2 的西侧共用冷态预留间隙 51mm;经计算该筒节热膨胀量为 21. 65 mm 8. 05 mm + 17. 46 mm ,满足金属筒节热膨胀量要求 。c. 金属筒节 3: 该筒节 ( 1 节 ) 改造后以焊接 锥形定位圈为固定支点 ,沿轴向向东西两端进行 膨胀 ,锥形定位 圈的 西侧 筒 节长 度尺 寸 609mm , 计算热膨胀量 8. 05 mm ,东侧筒节长度 230 mm , 计算热膨胀量 3. 04 mm ,筒节预留热膨胀缝尺寸51mm 8. 05 mm + 3. 04 mm ,满足金属筒节热膨 胀量要求 。d. 金属筒节 4: 该筒节 ( 1 节 ) 改造后以焊接 锥形定位圈为固定支点 ,沿轴向向东西两端进行膨胀 ,锥形定位圈的西侧筒节长度尺寸 1266mm ,计算热膨胀量 16. 73 mm ,东侧筒节长度 646 mm ,计算热膨胀量 8. 54 mm ,筒节预留热膨胀缝尺寸51mm 16. 73 mm + 8. 54 mm ,满足金属筒节热 膨胀量要求 。4. 3 金属衬里材料的检验 新金 属 衬 筒 材 料 选 用 sa240 - 310 s, 厚 度5mm。材料到厂后进行了材质证明书的审查 ,并对材料进行了抽样检查 ,检查项目包括 :表面宏观 检查 、光谱分析 、取样化学分析以及金相检查 ,检验合格后交付施工单位下料 。4. 4 金属衬里的拆除及耐热混凝土的修补( 1 )装置停车降温后 , 冷态读取并记录了输 气总管上的 12 个承重座式吊簧数据后 ,再分别用 楔形铁块固定了 12个座式吊簧中的弹簧 ;( 2 )金属衬里的拆除从输气总管的西端向东拆除 ,采用碳弧气刨切割的方法分段 、分块进行拆 除并运出 。在切割时根据图纸尺寸测量出金属衬 里与承压壳体之间的 13节锥形定位圈的位置 ,并 做到尽量不损伤锥形定位圈 。( 3 )金属衬里全部拆除完成后 , 进行了下列项目的检查 :a. 检查 、复核各锥形定位圈之间的间距 ,测量 并打磨各锥形定位圈的内径 ,为安装新金属衬里 作好条件准备 。b. 检查 、测 量 原 耐 热 混 凝 土 的 内 径 和 椭 圆度 ,以及耐热混凝土表面是否有裂纹 、冲刷损坏 。 ( 4 )参考图纸尺寸 , 采用轻质耐热混凝土对 损坏比较严重的耐 热混 凝 土表 面进 行 了局 部修 补 。修补时 ,基本保证了耐热混凝土内壁平整 ,控 制了平直度不大于 5 mm /m , 内壁椭圆度不大于直径 1 %的尺寸 ,为金属衬里的安装打下了良好 的基础 。4. 5 新金属衬里筒节预制与现场安装组对( 1 ) 衬里筒节直径的卷制按图纸 d 508 mm 尺寸展开下料 ,长度按照节点改造的尺寸要求并 结合现场实测锥形定位圈间距尺寸下料 ,并留有 一定余量 ,下料后打磨坡口 、卷制成型 。卷制时 , 先收缩筒节直径小于 d 508mm ,使其两边搭接约60 mm 左右 ,并在背面间断粘贴 6mm 厚纸板 。( 2 )筒节按照图 4、图 5、图 6 金属衬里筒节节 点 、改造后的结构分段进行安装 ,使用螺纹丝杆专用工具扩口 、组对 、点焊 、找正 、焊接 。( 3 )由于原上升管内衬管 sa240 - 310 s检查 未发现损坏 ,因此新安装的金属筒节与上升管内 衬管的节点结构未作改动 ,安装组对仍旧按原设 计图纸结构进行 , 连接处保留了原 设计 的 10mm热膨胀轴向间隙 (见图 7 ) 。( 4 )为防止上升管内衬管在装置运行中被气 流带出 ,保护内衬筒承插口处的耐火材料不被气 流冲刷 ,在改造的过程中 ,我们在金属筒节与上升 管内 衬 管 接 口 处 沿 金 属 筒 节 508 5mm 轴 向180 方位对称新增焊接了 2 个 = 5mm 的 310 s2572009年第 3期40万吨 /年甲醇装置一段转化炉输气总管金属衬里整体更换及结构改造不锈钢 l 型限位卡具 ,限位卡具与上升管内衬筒顶部预留了热膨胀间隙 20mm (见图 8 ) 。膨胀缝部位上侧下侧左侧右侧6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #51535150485052504848495048504951485148524849504951485049 13 # 50 53 51 53 注 :按图 1 所示输气总管金属衬里筒节 4 与金属衬里筒节 3之间膨胀缝为 1 #,向西依次为 2 #、3 #13 #。图 7 轴向热膨胀间隙5 运行使用效果2008 年 、2009 年 两 次 大 修 检 查 情 况 基 本 相同 :不锈钢衬筒质量完好 ,筒节伸缩活动自如 ,未 发现鼓包 、变形 、开裂和材质劣化现象 ,设备运行 良好 。6 结束语图 8 l 型限位卡具一段转化炉输气总管是我公司 40 万 /年甲醇装置转化工序的关键设备 ,该管道质量的好坏直 接关系到整个生产装置能否长周期安全运行 。我 公司针对 y0202 输 气总 管金 属 衬里 鼓包 、变 形 、开裂以及材质劣化等缺陷 ,对原金属材料以及节 点结构作了更换和改造 ,提高了设备的运行使用 质量 ,两年的使用效果证明 ,此改造是成功的 ,可 望大大延长金属衬里的使用寿命 。同时 ,也为其 他同类型装置一段炉输气总管的设计 、改造以及检修维护管理提供一定的借鉴作用 。( 5 )焊接新金属衬里筒节采用手工电弧焊 ,焊条选用aw s e310 - 16 , 2. 5mm。 ( 6 )安装结果检验 新金属衬里筒节安装完成后 ,进行了检验 ,检验结果如下 :a. 14节筒 节内 壁安 装 后平 整 度 均 不 大 于 5 mm /m ,椭圆度均不大于直径的 5mm ,符合安装技 术要求 ;b. 13 条 膨 胀 缝 结 构 符 合 图 4、图 5、图 6 要求 ;实际测量筒节预留热膨胀缝尺寸 (见表 1 ) 满 足热膨胀计算要求 。c. 焊缝外观检查光滑 、均匀 、平整 , 100 %渗透 检测合格 。参考文献1 车俊铁. 1c r18n i9 ti不锈钢在高温运行条件