晋煤天源高平化工有限公司于2006年建成投产设计能力为年生产合成氨40万t、大颗粒尿素60万t。在合成系统氨合成工段，来自双甲精制的新鲜气，进入合成气压缩机高压缸加压后，经循环段压缩至14.2MPa，温度74.3℃,然后进入气气换热器的壳程,在此被来自锅炉给水预热器的热气体加热到208℃,进入合成塔反应生成合成氨。

从合成塔出来的气体，氨含量约为18.04%(V),温度约为426℃,该气体首先进入合成塔废热锅炉被冷却到270℃,然后进入锅炉给水预热器管程,当被冷却到234.5℃,并同时副产部分中压蒸汽，出锅炉给水预热器的气体先后进入热气气换热器、水冷器等换热设备，最终被冷却至–10℃成为产品氨。其工艺流程方框图见图1，废热锅炉设备主要技术参数见表1。

图1工艺流程方框图

表1废热锅炉主要技术参数

氨合成塔及废热锅炉是合成氨生产的关键设备之一，制造厂采用的是瑞士卡萨利公司的三触 媒床两换热器轴径向合成塔内件，合成塔废热锅炉为固定管板釜式U形管换热器，设计采用偏心管板、合金短管、连接管、管板堆焊耐热层以及内孔焊等技术，技术标准采用ASME Ⅷ、AD 2000及TEMA Ｒ。

由于合成塔气体出口温度为420℃，压力约14.7MPa，且H2含量较高（51.20%），工况特殊，因此在设备选材上需要综合考虑热强度、耐氢腐蚀以及回火脆化等问题。同时由于冷热介质接触，其温差较大（200℃左右），所以要求换热管与管板的焊接质量必须稳定可靠，其设备结构简图见图2。

图2设备结构简图

系统停车隔离后，经检查发现确实是废热锅炉换热管泄漏，因其结构的特殊性，为进一步判 断其泄漏位置及原因：采用工业内窥镜（型号：VIS 2000 PRO美国）对换热管内部进行了检查，结果如图3~6。

通过使用工业内窥镜对118根换热管逐根进行检查，疑似有腐蚀及泄漏的管道共计12根，如图7。疑似腐蚀及泄漏位置多为管板最下侧（内外）3排管道，泄漏位置多数为从管板处向内0.5m左右，通过内窥镜检查，基本排除了内孔焊焊接质量及管板受热变形、开裂的因素。

图7工业内窥镜对换热器的检查显示泄漏处

采用涡流检测（型号：EEC-39爱德森电子）对所有换热管道内部进行了检测，结果如下：

1.内圈(工艺气进口侧)列管

（1）探伤结果

①列管探伤未发现有明显的可记录缺陷信号。

②靠下部的少部分列管（主要是最下面三排）局部涡流探伤抖动较大，对应部位涡流测厚有 明显的腐蚀减薄信号。

（2）测厚结果

①列管壁厚分布范围比较分散，实际测得壁厚范围在1.90~2.70mm。

②部分列管均存在程度不一的腐蚀减薄，腐蚀减薄明显的位置一般靠近管板的前半部。

（3）壁厚统计见表2

2.外圈（工艺气出口侧）列管

（1）探伤结果

①列管涡流探伤发现靠下部的列管探伤信号幅值、相位明显异常、杂乱，有异常杂乱信号的 位置主要在位于靠近管板的前两块隔板内（距管口约3m的范围内），也有少数异常信号位置在管子的后部、甚至分布整根直管段；在对应位置涡流测厚都发现有明显的、严重程度不一的异常腐蚀减薄信号。

②有异常信号的管道共计24根。

（2）测厚结果：

①列管壁厚分布范围很分散，实际测得壁厚范围在1.30~2.65mm。

②部分列管（主要在靠管板下部、堵管周围）发现有明显的异常腐蚀减薄信号，腐蚀减薄程 度不一，有异常腐蚀减薄信号的位置主要在位于近管板的前两块隔板（距管口约3m的范围内），与涡流探伤结果相对应。

（3）壁厚统计如表3

结合两种检测结果，判定工艺气出口侧管道腐蚀较为严重，决定对打压有漏点及测厚壁厚较 薄的列管进行堵管处理。

板、法兰、管板以及换热管中间由475mm长INCONEL600合金连接管连接，连接管前段焊接在板上，后端约350mm长缠绕1.5mm厚陶瓷纸，连接管末端插入换热管内。换热管与管板采用内孔焊技术，该设备管板壳侧面内侧加工有管台，U形管管头与管台相对接，从孔内实现管子和管台的焊接，另外，由于进气端温度较高，为保护管板，在管板进气侧堆焊9mm厚INCONEL 600合金，同时，在堆焊层处加工凹槽，合金短管与凹槽相对接，也采用内孔焊结构(见图8)。

图8进气侧设备结构图

由于合成塔出口气体温度约420℃，易使管板部件产生热应力变形，该设备U形管采用同心圆排列，热端位于管板中心部分，冷端配置在管板的外缘，整个管子呈辐射状的排列，同时设置内联箱，高温气体通过管板中心部位的内联箱进入U形管，换热后再从外侧换热管出来返回废锅管侧集箱(见图9)，从而保证了管板径向应力均匀分布，同时也降低了管箱周边的热应力。

图9换热管分布图

在材质选用上，壳程筒体材料选用SA-516，70级，壳程接管材料选用SA-350 LF2级Ⅰ类，管箱、封头、接管以及管板锻件材料选用12CrMo9-10，换热管材料选用10CrMo9-10。设备主要受热承压部件选用的材料均是欧标10028《压力容器用钢——第二部分规定高温性能的非合金和合金钢》中材料，该材料具有优良的抗氢腐蚀和耐高温氧化能力。主体材料的化学成分见表4，机械性能见表5。

表4主体材料化学成分

表5主体材料机械性能

废热锅炉的给水由锅炉给水预热器提供，锅炉给水预热器顶部在设计时安装有爆破片，前期 因爆破片破裂，导致废热锅炉液位在短时间内骤降，然而未引起操作人员的重视，没有及时停车进行冷却降温；后期更换爆破片后，补水速度过快，可能造成换热管冷热温差变化较大，材料特性发生变化（因设备目前仍在运行，故暂时无法检测换热管材质特性变化）；同时由于废锅水侧无加药装置长期运行，在设备内部集聚了腐蚀性物质。综合以上原因导致了换热管的腐蚀，以上分析也可说明为何工艺气出口侧（外侧下部）换热管损坏较多的原因。

1.因设备结构的特殊性，由卡萨利厂家提供了专业的堵漏方案，具体步骤如下（见图10，图 11）

图10进气口侧管道堵漏图

图11出气侧管道堵漏图

（1）将475mm长INCONEL600合金连接管与板的焊接部分用角磨机磨开，在连接管上焊接一个内螺纹接头，将倒锤与连接管固定，最后用倒锤将连接管取出；

（2）加工专用堵头（见图12），长度为360mm，材质为INCONEL600合金，插入原连接管位置处；

图12堵头尺寸图

（3）堵头在管板处采用胀接形式，胀管长度80mm，胀管厚度3.55mm，堵头前段穿过板，与法兰孔内金属短管内壁焊接；

（4）出口侧换热管道，同样加工堵头（见图12），长度为280mm，材质为INCONEL600合金，堵头末端与管板胀接，胀管长度80mm，胀管厚度3.55mm，前段与管板堆焊层焊接。

图12堵头尺寸图

（5）在堵头的密封焊缝上做着色检查。

2.需注意的焊接工艺

采用手工氩弧焊，焊丝型号，ERNiCr-3；焊接的起弧和收弧一定要在堵头上；由于板的影响，焊接前可将板上孔的尺寸适当扩大，以保证焊接质量；胀管器型号：P3Z-T,电动胀管器，胀力1.8MPa。

3.检验检测

堵漏结束后，采用了两种检测方法，进行设备查漏。

（1）壳侧水压试验，按照出厂时水压试验的压力，壳侧水压打压至4.5MPa,检查管道是否有泄漏，保压30min，检查是否有压降。

（2）壳侧氨渗漏试验，壳侧先充氮气，至分析氧气含量≤0.5%；引氨气15%(V)进入设备壳侧，当压力达到0.1MPa后，氮气充压至壳侧压力达到0.6MPa，将喷有酚酞溶液的试纸贴敷在管板上并保证覆盖全部列管口，壳侧保压4h（氨浓度过低可延长保压时间或提高氨浓度缩短保压时间），检测试纸是否有红色斑点出现并进行准确标记；当压力泄完后，用氮气对壳侧进行置换，分析壳侧氨含量≤30ppm后置换合格。

检修结束后，注意缓慢提温及升压，开车后经检测，漏点已全部消除，因减薄及管道较多， 后期运行中，要控制负荷及压力，同时重新制作一台新设备。