焦炉气预热器膨胀节爆裂原因分析及处理措施

第５期　２０１３年９月　中　氮肥　Ｍ—Ｓｉｚｅｄ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　Ｎｏ．５　Ｓｅｐ．２０１３　

焦炉气预热器膨胀节爆裂原因分析及处理措施　

徐红梅　（山西焦化股份有限公司，山西洪洞０４１６０６）　

［中图分类号］ＴＱ　０５１．５　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１００４—９９３２（２０１３）０５—００４０—０２　

我公司２００　ｋｔ／ａ甲醇厂转化工序的焦炉气预　热器于２００８年６月投入使用，２０１０年５月底和　

６月初先后２次发生膨胀节爆裂事故。通过对设　备本体事故形成原因的分析研究，采取了将膨胀　

节的位置由换热器简体中间移至低温侧，同时去　掉膨胀节的排污口等整改措施。实施后，焦炉气　预热器已安全稳定运行至今。　

１设备情况　

焦炉气预热器是１台气气换热器，其作用是　

用５４０℃的高温转化气将从干法脱硫工序过来的　焦炉气配蒸汽从４００℃以下加热至５２０℃送预热　

炉，同时将转化气冷却至４２０　ｏＣ以下。该设备为　固定管板列管式换热器，管程介质为高温转化　

气，壳程介质为焦炉气和蒸汽。设备筒体中间设　置一单波膨胀节，主要作用是补偿换热管与筒体　

温度差产生的膨胀差。　

２事故经过　

２０１０年５月３０日该设备在运行中突然发生　膨胀节爆裂，导致大量气体泄漏，造成系统紧急　

停车。停车后检查发现，该膨胀节从下部排污口　往上环向撕裂约１　２００　ｍｍ。设备经打磨坡口焊　

［收稿日期］２０１２—１２－１４　［作者简介］徐红梅（１９７５一），女，山西襄汾人，机械工程师。　

少，由９００　ＦＩＩ　／ｈ减少到５００　Ｉｎ　／ｈ。　

（５）溶液冷却器换热效果好，不易结垢。　

２０１２年５月系统检修，拆开Ｃ１７４０４检查，列管　

结垢不严重，主要为淤泥。　

５结语　

本次改造从降低温差应力及改进列管材质两　接后于６月１日投入运行。６月９日设备在运行　

中又一次出现膨胀节爆裂。停车后检查发现，该　

膨胀节又从下部排污口的另一侧往上环向撕裂约　

２　４００　ｍｍ。连续２次发生的膨胀节爆裂泄漏，严　重制约着甲醇厂的安全稳定生产。　

３原因分析　

首先对膨胀节的厚度进行了校核计算，该膨　

胀节的厚度能够满足甲醇生产工艺条件下的要　

求。然后对膨胀节的使用情况进行了分析，该设　

备自投入运行以来，一直在工艺要求的指标范围　

内运行。最后通过认真分析，并与该设备的设计　

人员进行沟通，认为该设备膨胀节存在的以下两　方面缺陷是造成其爆裂的主要原因。　

一是膨胀节设计选型不合理。该膨胀节属于　

不抗疲劳的ＺＤＷ（Ａ）型膨胀节，而实际运行　

中无法避免工艺波动形成交变应力导致膨胀节产　

生疲劳。２次发生膨胀节环形爆裂，均是由于丝　

堵根部的强度不够，刚度增加产生应力集中，首　

先出现爆裂而向外延伸的。　

二是膨胀节的设计位置不当。该膨胀节设置在　换热器筒体的中部温度最高处，存在以下３个方面　

不当：一是膨胀节承受设备自重所形成的应力最　

大；二是膨胀节低温侧筒体较长且低温侧属活动支　

座端，热膨胀量较小，膨胀节所需要补偿的位移量　

方面着手解决了溶液冷却器内漏的问题。装置改　

造后投运至今溶液冷却器未发现泄漏，改造效果　

明显。应注意的是，所有用循环水来冷却氨水、　

液氨、气氨的水冷器都应定期分析上水、回水中　

的ＮＨ　含量，以便及时发现设备内漏。另外，　

氨水系统需定期加入一定量的重铬酸钾作为缓蚀　

剂，以缓解氨水对设备的腐蚀。

　第５期　徐红梅：焦炉气预热器膨胀节爆裂原因分析及处理措施　・４１・　

就会相对增加；三是中部介质温度较高，膨胀节的　

刚度越低，轴向位移量就会增加。因此，膨胀节位　置一般应设置在低温侧，而不是中部温度最高处。　

４处理措施　

４．１第１种处理方案　４．１．１修复措施　（１）重新订做膨胀节，在原设备上对膨胀　

节进行更换。新膨胀节的材料仍为０Ｃｒｌ８Ｎｉ９，　厚度在１８～１９　ｍｍ，用２０　ｍｍ原板材整体压制　

成形，但选用ＺＤＷ（Ｂ）型。ＺＤＷ（Ｂ）型膨胀　节与ＺＤＷ（Ａ）型的不同之处是从结构上去掉　

了下部丝堵。选用ＺＤＷ（Ｂ）型膨胀节的原因：　

一是该设备的壳程介质虽然是焦炉气和蒸汽，但　

因蒸汽量很小，所以不用考虑丝堵去掉后排污的　问题；二是去掉丝堵后，膨胀节由原来不抗疲劳　

型成为抗疲劳型，从工艺上满足了工艺指标变化　

时产生的交变应力对膨胀节的影响。　（２）针对设备材料为０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的特点，更换　

膨胀节时，为避免和筒体组对时在原焊缝的热影　响区重复受热，新更换的膨胀节宽度加大至３００　

ｍｌｎ，也就是在组焊时将筒体的原焊缝热影响区去　掉进行组对焊接，从而保证了焊缝的焊接质量。　

（３）具体修复时，在膨胀节的割除、坡口　修磨、组对焊接、检测方法、试压和酸洗钝化方　

面均采取了相应的措施。　

４．１．２存在的问题　本修复方案主要考虑到尽快恢复生产，但存　

在以下问题。　（１）该焦炉气预热器固定管板与换热管是　

预先焊接的，在膨胀节与筒体组对焊接时，会产　生很大的轴向收缩力，该收缩应力就施加到焦炉　

气预热器的换热管上，由于换热管是不能自由伸　缩的，那么承受的压应力就转化为膨胀节常温下　的拉伸应力。也就是说，在常温下，该膨胀节已　

经预支了相当一部分的轴向膨胀量，使其在运行　

中的调节能力受到影响。为了减小因焊接顺序对　换热管产生的影响，在修复中，在焊接前对膨胀　

节采取了预压缩措施，以抵消焊接收缩应力对膨　胀节的轴向拉伸位移量。　

（２）ＧＢ１６７４９－－１９９７《压力容器波形膨胀　

节》规定膨胀节与筒体的焊接为氩弧焊。因不　锈钢氩弧焊焊接时必须对背面金属进行保护，否　则会引起焊接金属氧化，造成耐腐蚀性能降低，　

而本设备修复焊接时因设备内部全部充氩的难度　相当大，无法对焊接接头背面金属进行保护，因　

此，决定不采用氩弧焊，选用单面焊双面成型的　

手工焊条电弧焊的方法。但此种焊接方法与　ＧＢ１６７４９－－１９９７的要求不符。　

（３）膨胀节修复后，位置基本还在原位置，　

不能对膨胀节原来的不合理位置进行改进。　因此，该修复措施只能是临时保证甲醇系统　

的生产运行，且本设备必须是监护运行。　４．２第２种处理方案　将该预热器整体进行更换，并对其原设计缺　

陷进行技术改进。　

（１）在膨胀节的选型上，仍然采用抗疲劳　设计的ＺＤＷ（Ｂ）型，该型膨胀节属无丝堵设　

计，增加了膨胀节的抗疲劳性能。　（２）对膨胀节的位置进行了调整，由换热器　

筒体的中部温度最高处改为换热器筒体的低温侧。　本处理措施彻底解决了该设备存在的缺陷，　

可保证甲醇系统的安全、稳定、长周期运行。　

５效果　

采用第１种处理方案修复后的设备于２０１０　年６月３０日投入运行，由于该修复方案存在问　

题，公司决定对其监护运行以保持正常生产：一　是严格控制了工艺气体压力；二是调低了转化气　

的温度，确保转化气和焦炉气温差不超１００　ｏＣ；　

三是在设备周围设置警戒线，禁止人员进入。该　设备运行至２０１０年１Ｏ月８日停止使用，更换为　

新设计制作的设备。　采用第２种处理方案重新设计制作的设备于　

２０１０年ｌ０月１５日投入生产运行，至今没有出　

现任何问题，运行效果良好。　

６结束语　

经过对焦炉气预热器膨胀节爆裂的原因进行　分析，并采取针对性的处理措施，该焦炉气预热　

器再没有发生过类似问题，说明我们采取的措施　

是正确可行的，同时也为以后同类型设备的选用　提供了参考依据。在当前我公司正在筹建的２００　

ｋｔ／ａ甲醇改扩建项目中，我们就提前与设计院进　

行了沟通，将新增的焦炉气预热器膨胀节的选型　和位置也进行了同样的改进。