高明

（中海石油化學股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油化學股份有限公司KBR 450 kt 合成氨裝置設計年產(chǎn)450 kt，曾是國內(nèi)單套生產(chǎn)能力最大的裝置[1]，裝置中的廢熱鍋爐（Waste Heat Boiler，WHB）是關鍵設備之一[2]，該WHB（圖1 中101C）在運行18 年后于2021 年11 月26 日發(fā)生爆管（圖2）。它在系統(tǒng)中的作用是利用并回收二段轉(zhuǎn)化爐的反應熱輸出高壓蒸汽，作為透平驅(qū)動的能源。為了提高熱能的利用率，降低能耗提高效能，WHB 的技術向高效換熱、耐用、體積小的方向升級。盡管技術迭代一定程度上提升了WHB 的運行周期，但從企業(yè)的運行經(jīng)驗中探尋規(guī)律，并制定科學的檢驗維護策略和周期具有普遍的現(xiàn)實意義。陳學東等[3]認為合理運用不斷發(fā)展更新的在線無損檢測技術，進行合理有效的檢修維護，按照最新的安全技術規(guī)范進行充分的風險分析，可以適度降低遺留缺陷和運行損傷在一定周期內(nèi)對安全運行構(gòu)成的風險。并提出發(fā)現(xiàn)缺陷、使用周期的容限判定、在線監(jiān)控與保護性措施是降低事故率的重要方法。

圖1 KBR 450 kt WHB101C 流程Fig.1 101c process of KBR 450 kt WHB

圖2 KBR 450 kt WHB 爆管圖與結(jié)構(gòu)圖Fig.2 KBR 450 kt WHB burst diagram and structure diagram

1 WHB運行中的經(jīng)驗教訓

KBR 450 kt WHB 主要設計參數(shù)如表1 所示。

表1 KBR 450 kt WHB 主要設計參數(shù)Table 1 KBR 450 kt WHB main design parameters

WHB 失效爆管并不單純是一臺設備的問題，它還給系統(tǒng)帶來嚴重安全威脅。最早的文獻[4]記錄是1969 年1 月發(fā)生在美國愛阿華州某合成氨工廠的WHB 發(fā)生爆管事故，由此引發(fā)的突然泄壓和火災導致裝置停車150 多天，直到當年6 月才恢復生產(chǎn)。

文獻[5]分析了位于巴基斯坦拉合爾的合成氨廠案例，該裝置二段爐后的WHB 前后發(fā)生30 多次泄漏或爆管事故。主要原因是管材的珠光體結(jié)構(gòu)因為局部過熱被破壞。由于事故頻繁，該工廠不得不備用一個管束。事故造成高溫變換爐的壓降由0.4 MPa增加到0.8 MPa，大幅增加能耗和運行成本。類似的，Terra 公司W(wǎng)HB 爆管[6]導致爐水進入高變爐催化劑，在這起事故中催化劑床層溫度在2 min 內(nèi)降低了149 ℃，光排放其中的水就用了12 h。造成高變爐催化劑上表層沉積物的產(chǎn)生，爐的壓降也由此增 加。

文獻 [7]證明了WHB 列管上的凹坑是由于水中含氧量超標即溶解氧脫除不理想造成的。文獻 [8]記述了WHB 襯里和耐火材料失效給工廠帶來的額外風險。文獻 [9]報告了化學和物理因素導致套管克服壁變薄的問題。文獻 [10]報告了WHB 失效的原因是焊后熱處理不當，在應力條件和富氫環(huán)境條件下開裂失效。其原理是，管內(nèi)H2與管材中的碳或Fe3C 發(fā)生化學反應生成CH4，致使材料脫碳并產(chǎn)生裂紋，彎頭強度降低脆性增強導致爆破。H2來源見下面方程式：

3Fe （OH）2= Fe3O4+ H2+ 2H2O

嚴格控制包括pH 值在內(nèi)的爐水指標和防范鐵的攜帶是企業(yè)一項長期、敏感而重要的工作，這些指標應該定期進行檢驗和分析。

文獻 [11]分析了WHB 在極高局部熱通量條件下對腐蝕損傷敏感性。在運行過程中，帶有腐蝕產(chǎn)物的傳熱表面結(jié)垢加劇了這種情況。這些腐蝕產(chǎn)物主要是由流動加速腐蝕（FAC）和一次冷凝腐蝕（FCC）形成的磁鐵礦。保持鍋爐水pH 值處于指標范圍，特別重要的是保持WHB 傳熱表面無沉積物，這一點尤為關 鍵。

WHB 管內(nèi)沉積物[12]加劇管道局部過熱，直接影響水蒸汽的熱效率和產(chǎn)汽量。WHB 在遠低于設計熱負荷的條件下運行時，也容易導致低循環(huán)率進而造成污垢形成和積聚[13]，大大增加了失效風險。而頻繁跳車和緊急停車等應急事件，擴大了不穩(wěn)定熱應力沖擊[14]的概率和范圍，由此可能導致材料疲勞失效，從而導致WHB 厚壁部件損壞。

2 WHB主要失效原因

大量的案例說明，超溫和熱應力是WHB 失效的最突出原因，并直接影響WHB 的使用壽命。氫腐蝕、水質(zhì)因素造成的結(jié)垢和化學腐蝕等也是WHB 失效的重要原因。文獻 [15]印證了蠕變、熱疲勞、腐蝕和過熱對WHB 的影響。傅惠民[16]等認為疲勞、應力腐蝕和蠕變是對壓力容器壽命影響較大的幾個因素。

理論上超溫在任何時段都可能發(fā)生。但工業(yè)實踐上，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在停/開車期間，主要原因是熱量平衡不當，如冷熱兩種介質(zhì)流量不匹配或流量大幅波動，造成WHB 局部短期過熱。短期過熱與長期運行后的爆管（蠕變）之間有密切關系。當爐管實際溫度瞬間超過設計溫度時，就會發(fā)生短期過熱，這種情況可能幾分鐘內(nèi)就會造成很大影響[15]。

3 WHB的維護措施與周期選擇

科學的維護措施和周期是降低事故率的重要手段。陳學東等[3]總結(jié)了企業(yè)容易出現(xiàn)的兩個問題，一是檢驗維護策略欠科學，二是缺乏從系統(tǒng)的角度確定檢修項目和內(nèi)容。對WHB 的所有檢查維護項目每年都進行維護既無必要，也不科學。筆者提出，借鑒國外檢查周期模型[17]，結(jié)合WHB 的實際情況包括管殼介質(zhì)、工藝操作條件、設備條件（如腐蝕率等）、緊急與意外對WHB 的沖擊等，動態(tài)評估運行周期（圖3），并確定其檢查和維護周期與方法（表2）。

圖3 WHB 平均運行周期Fig.3 WHB average operating cycle

表2 WHB 的主要維護項目和周期Table 2 Main maintenance items and cycles of WHB

（1）WHB 運行初期要經(jīng)歷試車，這一階段：① 管理、技術和操作人員對工況的認識還不深入，揭示其運行規(guī)律性的數(shù)據(jù)沉淀不足，工藝偏差判斷的及時性和準確性不高；② 螺紋聯(lián)接件在冷熱交替時的附加應力；③ 各材料選取的適當性有一個驗證期；④ 可能存在不同材料螺紋聯(lián)接件之間的塑性變形；⑤ 管板上由溫差載荷引起的熱應力以及管材焊瘤隱患的逐步放大。文獻[18]記錄使了一臺WHB 設備使用5 年10 個月后，通過內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)一個很嚴重的管束內(nèi)壁損傷。實際上這種損傷很可能在一年前左右就已經(jīng)開始了；⑥ 停/開車及其熱應力對WHB 的沖擊較為突出。建議在停/開車方案中應單列WHB的工藝保護措施，使得冷熱介質(zhì)導入盡可能是均勻的過程，以便熱應力不超過設備材質(zhì)的屈服值[19]。調(diào)試結(jié)束后，應成立WHB 運行風險評估小組，持續(xù)跟蹤那些難以察覺的但可能造成WHB 損害的風險累積。

（2）WHB 運行中期通常故障率低，但這個穩(wěn)定期是建立在運行初期得到良好維護的前提下，一些潛在的問題已初步解決或顯性化。事物都是有兩面性的，在人們技能提升和經(jīng)驗積累的另一面，要提防盲目樂觀和經(jīng)驗主義。文獻 [20]提出在這種情況下，風險評估和監(jiān)督檢查常常在“形勢穩(wěn)定”的局面下流于形式。在很難窮舉隱患風險的條件下，一旦風險積累到一定條件，人與物不安全因素偶合，極有可能發(fā)生事故。

（3）WHB 運行末期，應結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù)和歷次檢修維護數(shù)據(jù)，確定具體下一次檢修時間。檢修維護立項是一個嚴肅而關鍵的過程，應嚴謹對待任何一個已成趨勢的偏差，并及時制定糾正措施。經(jīng)驗表明，WHB 在服役超過20 年后，腐蝕和材質(zhì)劣化問題有很大普遍性，化學清洗在某種程度上要嚴格控制，其他檢測維護見表2。

4 結(jié)論

總體看，當前大型化工裝置中WHB 的安全運行周期都有延長趨勢。技術升級（如刺刀式改為管板式）和良好維護二者缺一不可。良好的WHB 管理就是能夠準確把握它的運行規(guī)律性。要做到這一步，應建立運行數(shù)據(jù)庫和模型，讓不同背景的專業(yè)人員從不同的角度和周期進行分析評估。 最新研究提出將運行數(shù)據(jù)的實際偏差納入HAZOP 分析，都是動態(tài)風險評估方法，原理相近[21]。

運行周期的四個階段的劃分，是在大多數(shù)運行案例的基礎上得出的經(jīng)驗值，意外的失效完全有可能發(fā)生在投用中期。這種通過大量案例得出的規(guī)律認識，有助于人們從概率上去判斷失效的時間窗口，并增強安全意識而不是相反。

大型化工裝置的檢修周期確定是一系列因素統(tǒng)籌的結(jié)果，包括（1）裝置能源供應的穩(wěn)定性（如天然氣、煤、電）；（2）各反應單元催化劑的活性周期；（3）各設備檢修周期；（4）外界不可抗力等。WHB 的維護周期只是眾多因素中的一個。不單純因為WHB 而停車檢修，能做到這一點的企業(yè)事實上非常稀少。