濃硝酸裝置硝酸鎂加熱器的改進(jìn)

黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

濃硝酸裝置硝酸鎂加熱器的改進(jìn)

黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

硝酸鎂加熱器是濃硝酸裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。針對(duì)生產(chǎn)中硝酸鎂加熱器存在的腐蝕嚴(yán)重，使用壽命偏短等情況，剖析了腐蝕原因，提出改進(jìn)方案。

濃硝酸；硝酸鎂；加熱器；腐蝕

硝酸鎂間接濃縮法生產(chǎn)98%濃硝酸工藝，以其產(chǎn)品質(zhì)量高、操作方便、運(yùn)行成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)主流的濃硝酸生產(chǎn)工藝。杭州龍山化工有限公司目前有一套規(guī)模為100 kt／a的硝鎂法濃硝酸生產(chǎn)裝置，其中的主要設(shè)備之一硝鎂加熱器在實(shí)際生產(chǎn)使用中存在U型換熱管容易泄漏、設(shè)備檢修頻繁和使用壽命偏短等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了濃硝酸生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

濃硝酸生產(chǎn)裝置中硝酸鎂加熱器一共有5臺(tái)，規(guī)格為Ф1500×6138。管程和殼程的操作溫度分別為190、175℃，操作壓力分別為1.2MPa、常壓。管程介質(zhì)為1.3MPa，200℃過(guò)熱蒸汽；殼程介質(zhì)為66%的MgNO3溶液（同時(shí)含有1%左右的HNO3）。而U型換熱管材質(zhì)為00Cr19Ni10，規(guī)格Ф25／2，數(shù)量252根，管間距32 mm，排列方式為正方形布置，換熱面積F＝184 m2，外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 硝酸鎂加熱器示意圖Figure 1 Diagram of magnesium nitrate heater

1 存在的問(wèn)題及原因分析

1.1 存在的問(wèn)題

在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，加熱器存在的主要問(wèn)題是殼體及U型換熱管容易腐蝕，主要腐蝕的部位：①硝鎂加熱器進(jìn)料管處；②進(jìn)料管下方的換熱管處；③硝鎂加熱器椎形殼體上半部分。其具體腐蝕部位及情況見(jiàn)圖2所示。

當(dāng)因腐蝕和沖刷造成換熱管管壁嚴(yán)重減薄泄漏后，只能采用堵管的辦法處理［1］。使用近兩年后，已經(jīng)陸續(xù)封堵10%的換熱管，從而嚴(yán)重影響換熱效果，最終只能將整臺(tái)加熱器調(diào)換。由于設(shè)備的換熱管和殼體等都為304L不銹鋼，調(diào)換一臺(tái)設(shè)備的費(fèi)用高達(dá)30余萬(wàn)元。

1.2 原因分析

由于硝鎂加熱器內(nèi)部的U型換熱管束長(zhǎng)期接觸160℃左右的硝酸鎂溶液（其中含0.1%－1%的HNO3），同時(shí)，原設(shè)計(jì)的進(jìn)料方式也存在一定的缺陷，從而造成加熱器極易腐蝕泄漏，具體原因分析如下：

1.2.1 均勻腐蝕

不銹鋼的均勻腐蝕一般發(fā)生在酸性環(huán)境或熱堿溶液中，在這些環(huán)境下腐蝕會(huì)以更快的速度擴(kuò)散［2］。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%的硝酸鎂溶液進(jìn)入加熱器（含有少量的HNO3，其為1.0%左右），經(jīng)蒸汽加熱脫硝后溶液中的HNO3降至0.2%左右并通過(guò)溢流管流入稀鎂槽。在加熱器170℃左右的高溫工作條件下，1%左右的HNO3會(huì)對(duì)不銹鋼造成較快的均勻腐蝕，而在加熱器的硝酸鎂入口處稀硝酸鎂含HNO3濃度最高，在此部位發(fā)生的腐蝕比較均勻。

圖2 加熱器腐蝕情況Figure 2 corrosion of magnesium nitrate heater

1.2.2 應(yīng)力腐蝕

304、304 L等奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的重要變量是溫度、介質(zhì)、夾雜物、焊接應(yīng)力和加工應(yīng)力等影響。應(yīng)力來(lái)源于冷變形、焊接和金屬鈍擊后的殘余應(yīng)力等，這些應(yīng)力的產(chǎn)生使金屬內(nèi)部穩(wěn)定的組織得到了破壞，導(dǎo)致晶粒在應(yīng)力方向的作用下位錯(cuò)而形成滑移臺(tái)階，這些滑移臺(tái)階的構(gòu)成給Cl－帶來(lái)了吸附和滲透的機(jī)會(huì)［3］。

硝酸鎂加熱器的換熱管與管板之間一般采用傳統(tǒng)的貼脹＋強(qiáng)度焊接形式，貼脹之后在臺(tái)階處的附加應(yīng)力很大。因此，該材質(zhì)換熱器的應(yīng)力腐蝕失效主要是在管頭部位焊縫邊緣的熱影響區(qū)和機(jī)械脹接的臺(tái)階處。同時(shí)，由于生產(chǎn)原料稀硝酸含有C1－，將其帶入了濃硝酸生產(chǎn)裝置中，會(huì)使不銹鋼表面在硝酸溶液中生成的鈍化保護(hù)膜遭到破壞，從而加劇了應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生。

1.2.3 晶間腐蝕

硝酸鎂加熱器的換熱管與管板之間采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度焊接形式，兩者之間存在一定的縫隙，傳熱性不好使焊縫的局部溫度上升的很快，并沿著管子傳遞，使管子的一定區(qū)域出現(xiàn)敏化溫度，造成焊接時(shí)局部受熱，致使碳原子在晶界以含鉻量很高的碳化物析出，使晶界的含鉻量減少，因此在含硝酸的溶液中更容易發(fā)生晶間腐蝕。

1.2.4沖刷腐蝕

沖刷發(fā)生時(shí)，金屬離子或腐蝕產(chǎn)物因受高速腐蝕流體沖刷而離開(kāi)金屬材料表面，使新鮮的金屬表面與腐蝕流體直接接觸，從而加速了腐蝕過(guò)程。若流體中懸浮較硬的固體顆粒，則將加速材料的損壞。由于硝酸鎂加熱器的進(jìn)口物料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的硝酸鎂溶液，其密度為1.4 g／cm3，硝酸鎂溶液極容易結(jié)晶，產(chǎn)生含有顆粒狀的物料，其從設(shè)備進(jìn)口垂直高速?zèng)_下，流速高達(dá)4 m／s，對(duì)加熱器的列管及殼體的沖刷腐蝕十分嚴(yán)重，極易造成設(shè)備和換熱管的壁厚減薄從而發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

2 采取的應(yīng)對(duì)措施

為了有效的解決硝酸鎂加熱器在使用中存在的問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面采取相應(yīng)的措施來(lái)減少設(shè)備的腐蝕情況。

2.1 原料及生產(chǎn)控制

在日常的生產(chǎn)中主要控制好稀硝酸鎂溶液含硝量等工藝指標(biāo)，盡量將稀硝酸鎂中硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.1%以下。具體的控制措施如下：①減小濃硝酸鎂進(jìn)料量或增加稀硝酸進(jìn)料量，減小配料比，調(diào)整稀硝酸鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在64%～75%；②關(guān)小蒸發(fā)器的加蒸汽調(diào)節(jié)閥，降低硝酸鎂蒸發(fā)器溫度，從而調(diào)整濃硝酸鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在72%～76%；③定期對(duì)硝酸鎂進(jìn)行沉降、置換，提高硝酸鎂脫水能力，有效降低稀硝酸鎂含硝；④從工藝上減少減少Cl－的來(lái)源，在濃硝酸系統(tǒng)中對(duì)冷卻盤(pán)管加強(qiáng)查漏、堵漏避免其進(jìn)入系統(tǒng)，在原料稀硝酸生產(chǎn)中將Cl－濃度高的硝酸排到廢酸槽，另行處理回用。

2.2 設(shè)備制造時(shí)的改進(jìn)

硝酸鎂加熱器的換熱列管與管板之間焊接采用的是傳統(tǒng)的貼脹＋強(qiáng)度焊接形式，管子和管板之間存在一定的間隙死角，容易引起Cl－聚集。建議將焊接形式改為目前比較先進(jìn)的內(nèi)孔焊技術(shù)，而根據(jù)使用情況說(shuō)明［4］，用內(nèi)孔焊技術(shù)制造的換熱器耐應(yīng)力腐蝕破裂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未采用內(nèi)孔焊的換熱器，不僅提高了焊接質(zhì)量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減小Cl－集聚引起的應(yīng)力腐蝕。

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)的改造

設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施：①在硝鎂加熱器旁安裝一緩沖罐，改變硝鎂加熱器的進(jìn)料位置及方向。通過(guò)增加緩沖罐避免了硝酸鎂直接沖刷進(jìn)料管，改變進(jìn)料方向減小了硝酸鎂對(duì)筒體的沖刷力度。②在硝鎂進(jìn)口處正對(duì)的U形管束處安裝一弧形聚四氟乙烯板，避免硝酸鎂溶液進(jìn)入加熱器時(shí)，對(duì)U型換熱管管束的高速直接沖刷。進(jìn)料管改造如圖3所示。

圖3 硝酸鎂加熱器進(jìn)料管改造示意圖Figure 3 Schematic transformation of magnesium nitrate feeding tube heater

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硝酸鎂加熱器生產(chǎn)控制、工藝防腐控制及設(shè)備改造，硝酸鎂加熱器的使用壽命從2年延長(zhǎng)至4年以上，大大減小了設(shè)備的檢修周期和維護(hù)成本。

［1］張正濱.硝酸鎂法生產(chǎn)濃硝酸的加熱器改造［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2007（2）：12－14.

［2］王均有.硝酸鎂加熱器的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.中氮肥，2012（2）：5－6.

［3］孫志高.濃硝酸生產(chǎn)中硝酸鎂加熱器腐蝕原因與控制［J］.石油和化工設(shè)備，2013（4）：7－9.

［4］甄延明.硝酸裝置低壓反應(yīng)水冷器的腐蝕分析及防護(hù)對(duì)策［J］.化肥工業(yè)，2011（2）：13－14.

Improvements on Magnesium Nitrate Heater in Concentrated Nitric Acid Plant

LI Zhi－min

（Hangzhou longshan chemical co.，Ltd.，Hangzhou 311228，China）

magnesium nitrate heater is one of the key equipment in concentrated nitric acid plant，in view of the existing situation of serious corrosion and short service life of the heater for the production，the corrosion causes was analyzed and improvements were proposed.

concentrated nitric acid；magnesium nitrate；heater；corrosion measures

TQ051

A

1004-275X（2014）05-0068-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.018

收稿：2014-07-14

黎志敏（1981－），男，浙江杭州人，工程師，主要從事化工生產(chǎn)與設(shè)備管理方面的工作。