При замене реакционных труб печи первичного риформинга цеха «Аммиак-3» изготовителем была изменена их конструкция.
В предыдущей конструкции реакционной трубы соединение ее высокотемпературной части (верхнего аустенитного патрубка) с верхней («холодной») фланцевой частью (сталь 15ХМ) находилось в районе потолочной футеровки печи. «Холодная» концевая фланцевая часть вместе с вводом (пиктелем) выполнялась из «черной» стали. Из-за «высокой» теплопроводности верхнего концевого фланцевого патрубка из «черной» стали паро-газовая смесь при температуре t≈500ºC и давлении Р≈35кг/см2 вместе с тепловым потоком от реакционной зоны обеспечивали его разогрев до температур, превышающих точку росы и как следствие конденсирование пара в зазоре между элементами заглушки и концевым фланцевым патрубком не происходило.
Вынос сварного соединения в новой конструкции реакционной трубы за пределы зоны свода печи, а также ввод паро-газовой смеси в высокотемпературный материал реакционной трубы (с теплопроводностью более чем 2 раза меньшей, чем у «черной» стали), привел к понижению температуры верхнего (концевого) фланцевого патрубка. В результате возникли условия для образования конденсата в зазоре между элементами заглушки и концевым фланцевым патрубком.
В паро-газовой смеси используется пар, произведенный из воды высокой очистки с малым содержанием хлоридов. Не исключено, что и в паро-газовой смеси в малом количестве могут присутствовать как хлориды, так и другие химически активные, по отношению к аустенитной стали, вещества. В нормальном режиме эксплуатации они не представляют опасности.
В данном случае, в возникшем в зазоре конденсате происходит растворение хлоридов и возможно других содержащихся в паро-газовой смеси в малых количествах веществ. Из-за подвижности границы конденсирования (точки росы), связанной с изменением внешней температуры, возникают условия для накопления этих веществ на поверхностях патрубка и заглушки (см. фото 1 и 2) до значений представляющих опасность для материала трубы.
Фото 1. Отложения
Фото 2. Отложения
Например, при движении этой границы вверх (при смене окружающей температуры в сторону ее увеличения, по циклу — зима-весна-лето) происходит отложение солей на упомянутых поверхностях, а при движении этой границы вниз (лето-осень-зима) происходит растворение аккумулированных солей. При приближении границы конденсирования к высокоскоростной турбулентной зоне происходит образование аэрозоля. Срыв конденсата завихрениями паро-газовой смеси и образование аэрозоля происходит в первых нескольких сантиметрах зазора между трубой и заглушкой за счет еще высокой скорости попадающей в зазор паро-газовой смеси (см. фото 3).
Фото 3. Зона «срыва» раствора
Фото 4. Трещина со «следами» аэрозоля
При этом срыв раствора направлен на поверхность реакционной трубы в зону разрежения паро-газовой смеси, то есть, в сторону ввода паро-газовой смеси. В реальности зона выброса аэрозоля имеет небольшие линейные размеры и занимает по высоте (если считать от донышка заглушки) до 100 мм высоты реакционной трубы (см. фото 4 и 6). Из-за завихрения паро-газовой смеси след аэрозоля на поверхности реакционной трубы имеет форму винтообразных «языков» (см. фото 6).
Фото 5. Место ввода паро-газовой смеси (бездефектный участок)
Фото 6. Трещина
Вдоль этих «языков» образуются трещины ( с высокой долей вероятности можно говорить об хлоридном растрескивании, (см. фото 4 и 7) в материале реакционной трубы. Рядом с этой зоной видимых изменений материала трубы не наблюдается (см. фото 5).
Фото 7. Сквозная трещина
В процессе эксплуатации печи раскрытие трещин происходило в основном на наиболее холодных периферийных трубах печи, что не противоречит изложенному механизму трещинообразования. Вероятно, что именно на этих трубах зона конденсирования опускается до уровня, где скорости паро-газового потока достаточны для образовании аэрозолей.
Вывод
В процессе проектирования реакционной трубы допущены ошибки.
Рекомендации
1. Для замедления процесса хлоридного растрескивания необходимо провести теплоизоляцию трубы, включая верхний фланец.
2. При ремонте, удаленные (до шва!) фрагменты реакционных труб целесообразно заменять на вставки из материала верхнего патрубка (сталь 15ХМ).
3. При замене катализатора осмотреть внутреннюю поверхность реакционных труб в зоне сварного соединения, а также само сварное соединение на предмет наличия трещин. Лучшим способом оценки состояния этого сварного соединения и участка реакционной трубы в этой зоне является цветная дефектоскопия.