秦嗣钊，陈敏，卢俊文，湛立宁，周璐璐，王肖逸
（河北省特种设备监督检验研究院唐山分院，河北 唐山063000）
［摘 要］合成氨装置工艺管道常选用大直径高压厚壁管道，这对管道材质和安装质量均提出了较高要求。以河北省特种设备监督检验研究院唐山分院负责的某500 kt/a煤基合成氨装置高压厚壁管道安装监督检验为例，该装置根据介质腐蚀特性、操作温度、操作压力等综合考虑，其粗煤气管道（Φ530 mm×24 mm）、变换气管道（Φ508 mm×28.57 mm）、合成气管道（Φ426 mm×48 mm）分别选用了12Cr2Mo1、TP321、10MoWVNb材质，并根据母材特性选择焊接材料与焊接方法且进行了焊接工艺评定试验，从而找到适宜的焊接工艺参数。该合成氨装置于2018年7月开始设备及管道安装，2019年10月投运，稳定运行3 a后的定期检验中未见工艺管道存有安装问题及影响其安全运行的腐蚀现象及焊接缺陷。
［关键词］合成氨装置；粗煤气管道；变换气管道；合成气管道；材料选用；焊接技术；热处理工艺；工程实例
［中图分类号］TQ055.8+1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）03-0028-04
0 引 言
合成氨工业中，其原料主要有石油（渣油或重油）、天然气（或页岩气）、煤炭（或焦炭）、焦炉气及其他化工尾气等，目前我国合成氨生产主要以煤或天然气为原料，无论采用哪种原料，其生产工艺均包括原料气制备、净化和氨合成过程。煤基合成氨装置各生产系统均由工艺管道连接而成，包括粗煤气管道、变换气管道、合成气管道等，由于工艺管道输送物料中含有CO2、H2、H2S等腐蚀性介质且在高温高压下运行，常选用大直径高压厚壁管道，这对管道材质和安装质量均提出了较高要求［1］。按照《压力管道定期检验规则——工业管道》（TSG D7005—2018）的要求，在合成氨装置工艺管道的定期检验中，常发现存有腐蚀现象和焊接缺陷，影响装置的安全、稳定运行。如何根据工艺介质特性、操作温度和操作压力等选择满足工艺管道使用要求的材料并保证安装质量，是施工单位技术人员需不断探索的问题［2］。以某500 kt/a煤基合成氨装置（2018年7月开始设备及管道安装，2019年10月投运）高压厚壁管道安装监督检检（由河北省特种设备监督检验研究院唐山分院负责）过程为例，根据介质腐蚀特性、操作温度、操作压力等综合考虑确定了粗煤气管道、变换气管道、合成气管道的选材，实际安装工作中通过选择合理的焊接技术和热处理工艺，使投产并稳定运行3 a后的压力管道定期检验中未发现存在影响装置安全、稳定运行的腐蚀现象或焊接缺陷。以下对有关情况作一介绍。
1 合成氨装置工艺流程简介
该500 kt/a合成氨装置气化系统采用多喷嘴水煤浆加压气化工艺，设置3台气化炉（两开一备），气化炉设计操作压力6.2 MPa、出口粗煤气温度215 ℃（粗煤气中CO含量偏高，约44%）；变换系统采用耐硫三段变换工艺，一段变换炉出口气操作温度约425 ℃、操作压力约6.15 MPa（系统出口变换气CO含量＜0.5%、H2含量＞40%）［3］，二段变换炉、三段变换炉与一段变换炉操作压力基本相同、操作温度不同；净化系统采用大连理工低温甲醇洗工艺，精制系统采用杭州中泰液氮洗工艺；氨合成系统采用湖南安淳中压氨合成工艺，氨合成塔设计操作压力32 MPa、操作温度495 ℃。
2 合成氨装置工艺管道选材浅析
合成氨装置高压厚壁管道选材应据介质腐蚀特性、操作温度、操作压力等综合考虑，可根据Nelson曲线（钢材在高温、高压、临氢状态下使用条件）选用管道材料［4］。
2.1 粗煤气管道
气化炉出口气管道即为粗煤气管道，用于连接气化炉与变换炉（中间隔有洗涤、除尘设备等），设计粗煤气（操作温度约215 ℃，操作压力约6.2 MPa）主要组分（摩尔分数，下同）为CO 43.36%、CO2 6.53%、H2 16.20%、N2 0.45%、H2O 33.28%、H2S 0.17%，粗煤气中腐蚀性介质主要为H2S、CO2及H2等。
由于粗煤气中H2含量较高，选材时应考虑高温H2腐蚀。用“操作压力”（6.2 MPa）乘以“H2含量”（16.20%）即可得粗煤气中的氢分压为1.004 MPa，“操作温度” （215 ℃）+40 ℃的裕量即可得基准温度为255 ℃，用氢分压和基准温度查Nelson曲线，碳钢即可满足粗煤气管道使用要求。另外，粗煤气中含有饱和态水蒸气，流动过程中将有部分液态水析出，且粗煤气中含有H2S，选材时应考虑湿H2S腐蚀［5］。据基准温度和H2S含量，查看Couper曲线（高温下H2/H2S共存时钢材腐蚀曲线），满足要求的材料有Cr-Mo钢和不锈钢，由于管道口径较大（通常大于500 mm），从经济性方面考虑，可选择15CrMo或12Cr2Mo1，而300 ℃温度下12Cr2Mo1的许用应力（123 MPa）明显高于15CrMo的许用应力（86 MPa），故选取12Cr2Mo1作为粗煤气管道材料。
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