est group harbin urea conference 2014 pap paper v1 chinese
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EST 集团中国公司
哈尔滨尿素会议
2014 年十月 13 日至 16 日
摘要
Pop-A-Plug® 管塞系统是针对管塞泄漏和性能下降热交换器管的成熟、安全和有效的解决方案。Pop-A-Plug® 在核电、火电和化工行业等领域的关键应用时间逾 15 年。EST 最近遇到了氨装置余热锅炉管塞问题，采取的应对措施是采用快
速、易于安装的机械管塞，与所取代的焊接管塞相比，安装稳定性更好。本文提供了在氨和尿素装置应用中 Pop-A-
Plug 的技术开发和优势更新信息。
我们将提供专门针对此次服务而开发的 Pop-A-Plugs 的详细信息，并说明此次服务如何大幅降低管密封所需的停机时
间。众所周知，尿素装置中高压热交换器的焊接管塞很容易出现泄漏问题，因为焊缝质量难以保证。与焊接管塞相比，
Pop-A-Plug® 管塞的可靠性高得多。
图 1. 高压 Pop-A-Plug® II 图 2. 液压设备
改进的氨和尿素装置热交换器管塞技术无需焊接，减少停机时间，提高可靠性
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简介
SKW StickstoffwerkePiesteritz 股份有限公司（SKW）是德国最大的氨和尿素生产商。公司运营两套 Kellogg 氨装
置，每套装置的产量为每天 1650 公吨（第一套装置的额定产量：每天 1350 公吨），三套 Stamicarbon 二氧化碳汽
提装置（所有装置的产量均为 4000 公吨/天），一套 Uhde 硝酸装置，以及生产特殊产品的其他装置。
SKW 的氨装置由 M W Kellogg 设计，由 Toyo Engineering 建造。装置分别在 1973 年和 1975 年试运行。采用了传
统的蒸汽转化工艺。1989 年，两套装置的产能增加到 1650 公吨/天。
这种 Kellogg 氨水装置首先运行 1 台二段转化炉103-D，随后运行 2 台并列的一级余热锅炉 101-CA/CB，及 1 台二
级余热锅炉 102-C。
问题 1 – 二级余热锅炉 102C
102-C 余热锅炉是一种固定立管式热交换器，带有 1101 根管子，管子外径为 25.4 mm，壁厚为 5.16 mm。管和管板
的材质均为抗氢 10CrMo910 (ASTM A182 F22) 钢。管与管板的接头结构如图 3 所示。运行参数如下：
管程压力：35.5 BarG ，温度（低）340°C；（高）450°C 介质：生产气体
壳程压力：118.0 BarG， 温度 330°C; 介质：蒸汽锅炉给水
图 3. 二级余热锅炉管接头详图 图 4. 常规焊接管塞设计显示焊缝破裂
苛化反应点蚀导致管泄漏。涡流检测确定的管泄漏和/或性能下降需要通过管塞修复。
过去，用于密封泄漏管的工艺需要安装锥形塞，并将其密封焊接至管端和管板面。鉴于材料的性质，该工艺需要预热和
焊后热处理。该修复工艺颇为费时，余热锅炉必须完全隔离并将气体排出。该修复工艺通常需要三天时间。在操作过程
中焊接难度较大，并且易于发生开裂故障，见图 4。
问题 2 – 一级余热锅炉 123-C1/C2
余热锅炉 123-C1/C2 属于热交换器，其管尺寸为 19.05 mm 外径 x 3.10 mm 壁厚。管和管板材质为 10CrMo910 (ASTM A182 F22) 抗氢钢。管与管板的接头结构如图 5 所示。这类装置属于高压装置，工作条件如下。
管程压力：320.0 BarG，温度 345°C 介质：生产气体
壳程压力：115.0 BarG，温度 330°C 介质：锅炉给水
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图 5.一级余热锅炉 101-CA/CB 管接头示意图 图 6. 焊接管塞显示焊缝破裂
苛化反应点蚀导致管泄漏。涡流检测确定的管泄漏和/或性能下降需要管塞，因此此类热交换器可能停止使用。
过去，用于密封泄漏管的工艺需要安装锥形塞，并将其密封焊至管端和管板面。鉴于材料的性质，该工艺需要预热和焊
后热处理。该修复工艺颇为费时，余热锅炉必须完全隔离并将气体排出。该修复工艺通常需要三天时间。在操作过程中
焊接难度较大，并且易于发生开裂故障，见图 6。
Pop-A-Plug® 的特征
Pop-A-Plug 系统由 Pop-A-Plug 管塞、管制备件、管塞安装件和拆卸硬件组成。Pop-A-Plug 是一种简易的机械管塞，
由三个金属组件构成：一个锥形销、一个密封环（具有内细齿和外细齿）以及一个被称为分离件的抗张组件，如图 7所示。安装时，锥形销移动通过密封环，并径向向外扩张密封环。当密封环接触管壁时，拉力压缩管和锥形销之间的密
封环，挤压细齿，形成防泄漏密封。分离件精确控制拉力，当管塞固定后分离件脱离或“弹出”。Pop-A-Plugs 在几分
钟内即可安装完毕，包括简单的管制备步骤。Pop-A-Plugs 属于成熟的设计，在很多行业的高低压重要热交换器应用中
显示出长期的可靠性，这些行业包括核电和火电、炼油和石化。Pop-A-Plugs 无需焊接管塞，省时省力。Pop-A-Plug 热交换器管塞具备以下特点：专利内细齿环设计，这提高了管塞在极端热循环和压力循环下的性能和压力保持能力。
Pop-A-Plugs 可由二十五种不同材料制成。管塞材质与管材质的兼容消除了业内人士对于电化学腐蚀或热膨胀率差异的
担心，进一步确保了在温度和压力循环过程中的长期可靠性。
图 7. Pop-A-Plug® II 管塞的安装示意图和管塞组件详图
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解决方案
SKW 联系 EST，为其余热锅炉堵漏找到更好的解决方案 – 提高管塞的可靠性、无需焊接并提高工艺的效率。 EST 集团解决方案的第一步是，研究 ASTM A182 F22 第 3 类合金作为 Pop-A-Plug 材质的适用性。充分的管制备是
任何堵漏作业成功的关键步骤。EST 发现，将铰孔加工与去除多余焊接材料或管端损坏结合在一起，然后用尺寸适合
管端的特殊管制备刷刷净，即可消除点蚀和侵蚀的影响，降低管端椭圆度，提高管塞的保持能力。选择 102-C 装置的
管塞尺寸要求管制备工艺采用铰孔加工和洗刷的结合方法，管内径达到 Ø 16.0 mm。采用类似的组合制备步骤，确定
123-C1/C2 装置的管塞尺寸，其管内径为 Ø 20.0 mm。 针对热交换器，EST 集团设计、制造由 ASTM A182 F22 第 3 类材料制成的适当 Pop-A-Plug 并完成达标工作。
表 1. Pop-A-Plug 操作性能
性能 102-C 装置 123-C1/C2 装置 管塞型号 Pop-A-Plug II (P2) Pop-A-Plug II (P2)
部件号 P2-630-CR-SP0611 P2-790-CR-SP0611
尺寸范围，管内径 16.03-16.51mm 0.631-0.650 inches
20.09 至 21.57 mm 0.791 至 0.810 英寸
操作压力 423.6 BarG / 6,000 psig 344.8 BarG / 5,000 psig
操作温度 537.8C / 1,000F 537.8C / 1,000F
合格性试验
SKW 为 EST 提供 10CrMo9 10 棒材， 用于制作试件。EST 根据安装说明书和工序制造管塞、制备试件并安装管塞
。安装的管塞接受气压和静水压试验、热循环和硬度等各种试验，确保适用性。
图 8.安装的 P2-630-CR-SP0611管塞 在试件中
图 9.安装的 P2-790-CR-SP0611 管塞 在试件中
热循环
10CrMo9.10 试件和安装的 P2-630-CR-SP0611 经过十次（10）热循环，如下所示：SKW 选择温度限值，选择依据为
生产气体入口温度。
4小时内温度从 22°C 升高到 400°C (温度变化率约为 100°C/小时) 400°C 的保温时间：2 小时 从 400°C 冷却到 22°C：一夜
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10CrMo9.10 试件和安装的 P2-790-CR-SP0611 经过十次（10）热循环，如下所示：SKW 选择温度限值。
4 小时内温度从 22°C 升高到 350°C (温度变化率约为 100°C/小时)
350°C 的保温时间：2 小时 从 350°C 冷却到 22°C：一夜
压力试验
SKW、EST 和 TüV-Nord 的代表见证了压力试验过程。试验汇总见表 2；经签署的数据表原件作为附件 1附后。
表 2.压力试验结果
试验编号 安装的管塞规格 试验标准 结果
1 P2-630-CR-SP-0611 气泡检漏，气压为 0,5 BarG(7.3 psig) 合格
2 P2-790-CR-SP-0611 气泡检漏，气压为 0,5 BarG(7.3 psig) 合格
3 P2-630-CR-SP-0611 气压试验，1.1 x 管程操作压力=126,5 BarG(1,843.1 psig) 合格
4 P2-790-CR-SP-0611 气压试验，1.1 x 管程操作压力=352.0 BarG(5,128.6 psig) 合格
5 P2-630-CR-SP-0611 1.5:1 安全比 水压试验，1.5 x 最大 Pop-A-Plug 额定压力 = 1.5 x 413,6* = 620,4 BarG (9,039.2 psig)
合格
6 P2-790-CR-SP-0611 1.5:1 安全比 水压试验， 1.5 x 最大 Pop-A-Plug 额定压力 = 1.5 x 344.8* = 517.2 BarG (7,535.6 psig)
合格
(*) 不同型号、尺寸和材质的 Pop-A-Plug 的最大工作压力。
图 10. 第 5 号试验期间的压力表读数，620+ BarG 图 11.第 6 号试验期间的压力表读数，517+ BarG
硬度测量
在成功完成压力试验后，两种管塞尺寸的试件被切开和腐蚀，检查密封性能并进行硬度试验。
图 12. 试件 1 和安装的 P2-630-CR-SP0611 Pop-A-Plug 的截面
图 13. 试件 #1 近景，显示硬度
测量范围， 读数从上到下。
图 14. 试件 1 的近景，显示 Pop-A-Plug 环的细齿与试件的外壁接触
结论：
Pop-A-Plug 成功通过了所有合格性试验。在成功试验的基础上，SKW 批准在配备了 10CrMo910 管的氨装置热交换器
上使用和安装由 ASTM A182 F22 第 3 类合金材料制成的 Pop-A-Plugs。
近期停产期间，SKW 在余热锅炉应用中安装了 Pop-A-Plugs。技术人员必须使用标准环境个人防护用品和强制送风呼
吸器进行作业。SKW 认识到，省去预热和焊接后应力消除工序可节省更多成本。在数小时内即可完成 Pop-A-Plugs 的
安装和管塞的改进，而以前的方法需要 3 天时间。
在订购和安装之前，EST 集团将详细审查 Pop-A-Plugs 的应用情况。
EST 将提供售后服务技术人员和经认证的培训人员，并在全球范围形成了由经验丰富的和经认证的 Pop-A-Plug 安装公
司组成的经销网。
未来的发展趋势
基于上述成果，本项目的下一阶段已启动。经与Stamicarbon、Sandvik 和EST 协调，针对尿素装置热交换器的应
用，SKW 开始开发由 Safurex®材料制成的 Pop-A-Plugs。
Pop-A-Plug® 是 EST 集团（美国宾州哈特菲尔德市）的注册商标 Safurex® 是 Sandvik 的注册商标。批准后使用。
Asia Pacific EST Group Asia
China EST Group China
35 Tannery Rd, #11-10 Tannery Blk Rm 3709, China World Office 1
North America / Central & South America EST Group Corporate Office 2701 Township Line Rd Hatfield, PA 19440-1770 USA (P) +1 215.721.1100
+1 800.355.7044 (F) +1 215.721.1101 [email protected]
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