硝酸裝置低壓反應(yīng)水冷器的腐蝕及改進(jìn)措施

黎志敏

(杭州龍山化工有限公司，浙江 杭州 311228)

近年來(lái)，雙加壓法硝酸裝置以其氨耗低、鉑耗低、成品酸濃度高和尾氣中氮氧化物含量低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)硝酸行業(yè)采用的主要生產(chǎn)工藝，但該工藝裝置中的低壓反應(yīng)水冷器設(shè)備的腐蝕泄漏問(wèn)題一直制約著裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。下面以杭州龍山化工有限公司的105 kt/a 雙加壓法硝酸裝置為例，分析探討該設(shè)備的腐蝕泄漏原因及應(yīng)對(duì)措施。

1 設(shè)備工況及運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備參數(shù)

低壓反應(yīng)水冷器外形尺寸:φ1 400 mm ×13 747 mm，殼體材料:20R，換熱管材質(zhì):304L，換熱管規(guī)格:φ25 mm×2 mm×11 000 mm，管數(shù):822根，管間距:32 mm，排列方式:正三角形，換熱面積:F=702 m2。

1.2 存在的問(wèn)題

1.2.1 設(shè)備容易產(chǎn)生泄漏

該公司的一臺(tái)φ1 400 mm 低壓反應(yīng)水冷器從2010 年5 月份開始使用2 a 后，換熱管由于高溫稀硝酸長(zhǎng)期的沖刷，每次停車檢修都會(huì)發(fā)現(xiàn)換熱管存在不同程度的泄漏。在多次對(duì)發(fā)生泄漏的管板處及換熱管進(jìn)行焊補(bǔ)后，原總共822 根換熱管，已經(jīng)焊補(bǔ)封堵了120 余根，冷卻面積下降15%。由于換熱面積減少，造成了NOX氣體溫度偏高，未封堵前溫度為37 ℃，兩次補(bǔ)漏后，溫度達(dá)到42～45 ℃，影響了NOX壓縮機(jī)提壓效率，降低了裝置能力;也影響了酸吸收段溫度，降低酸吸收效率;同時(shí)泄漏后產(chǎn)生的HNO3進(jìn)入殼程后加速了碳鋼設(shè)備和管線的腐蝕。

1.2.2 設(shè)備維修更換成本高

按照低壓反應(yīng)水冷器的實(shí)際使用情況來(lái)看，運(yùn)行3 a 左右就因泄漏嚴(yán)重需要進(jìn)行更換，由于該設(shè)備換熱管材質(zhì)采用的304L 不銹鋼，換熱面積702 m2總重22 t。若調(diào)換一整臺(tái)設(shè)備費(fèi)用就需120 ×104RMB￥以上，成本很高。

2 腐蝕原因分析

2.1 溫差應(yīng)力

由于低壓反應(yīng)水冷器的換熱列管與管板之間采用的是貼脹+強(qiáng)度焊接形式，在脹管處管壁減薄及焊接容易造成殘余應(yīng)力，而設(shè)備入口處的NOx氣體溫度高達(dá)170 ℃，循環(huán)冷卻水的溫度約30 ℃，兩者之間的溫度相差較大，而過(guò)大的溫差應(yīng)力極易造成換熱管薄弱處腐蝕破損。

2.2 高溫冷凝稀酸沖刷

入口處NOX氣體溫度高達(dá)160～170 ℃，出口為40 ℃左右，而該氣體的露點(diǎn)溫度97 ℃，在冷卻過(guò)程中不斷有冷凝酸產(chǎn)出。按照理論數(shù)據(jù)及使用經(jīng)驗(yàn)，超過(guò)70 ℃的冷凝稀硝酸對(duì)304L 不銹鋼的腐蝕比較嚴(yán)重，特別是在高速氣流的帶動(dòng)下對(duì)管束的沖刷比一般的腐蝕嚴(yán)重。目前進(jìn)入低壓水冷器的NOx氣體溫度約為160 ℃，所以水冷器的腐蝕主要集中在了前半段。通過(guò)對(duì)設(shè)備的檢查，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.3 Cl-聚集導(dǎo)致的腐蝕

設(shè)備的換熱管采用的是304L 不銹鋼，是不耐Cl-腐蝕的，Cl-易引起304L 應(yīng)力腐蝕開裂。由于采取的常規(guī)的管板焊接方法，在管束和管板之間存在間隙，如果循環(huán)冷卻水中的Cl-濃度較高，容易在間隙死角處產(chǎn)生了Cl-聚集，從而使管子表面形成點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕［1］。

3 改造措施及建議

3.1 保證冷卻水質(zhì)量

要嚴(yán)格控制循環(huán)水的各項(xiàng)指標(biāo)，減少懸浮物、雜質(zhì)等帶入，特別是要定期分析Cl-含量防止超標(biāo)(要求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于100 μg/g);通過(guò)殼程的排污口對(duì)循環(huán)水進(jìn)行定期排放等措施，同時(shí)可在裝置停車檢修期間進(jìn)行物理或化學(xué)專業(yè)清洗，消除污垢。盡量減小換熱管與管板間死角處的Cl-聚集，防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

3.2 采用先進(jìn)的制造工藝

一般換熱列管與管板之間采用傳統(tǒng)的貼脹+強(qiáng)度焊接形式，改為目前比較先進(jìn)的內(nèi)孔焊技術(shù)。根據(jù)使用情況，用內(nèi)孔焊制造的換熱器耐應(yīng)力腐蝕破裂性能優(yōu)于未采用內(nèi)孔焊的換熱器［2］。該工藝不僅能提高焊接質(zhì)量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減緩由Cl-聚集引起的腐蝕。

鈦材能更好的適應(yīng)70 ℃的冷凝稀硝酸工作環(huán)境，如果在金屬市場(chǎng)鈦材料價(jià)格適中，將前置低壓反應(yīng)水冷器換熱器的列管和管板選擇為鈦材，適當(dāng)減小換熱管壁厚，即能保證換熱效果，也能延長(zhǎng)使用壽命。

3.3 優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)

可將設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成中間一個(gè)進(jìn)氣口、兩端為出氣口的結(jié)構(gòu)，將NOx走殼程、冷卻水走管程并為多程，同時(shí)折流板采用圓缺形狀，在整個(gè)圓面上布置滿管子，并用扁鋼條對(duì)管束進(jìn)行固定。這樣的結(jié)構(gòu)的改變，可有效解決因冷卻水清洗不及時(shí)造成的列管結(jié)垢，導(dǎo)致列管表面溫度升高的問(wèn)題，從而減少Cl-聚集的機(jī)會(huì)，避免列管表面硝酸再蒸發(fā)現(xiàn)象，減少設(shè)備被腐蝕造成事故［3］。

3.4 設(shè)備布置形式

在改造方案中將低壓反應(yīng)水冷器分為兩段，主要是為了減少后置冷卻器的應(yīng)力腐蝕和高溫冷凝稀酸沖刷腐蝕。前置低壓反應(yīng)水冷器入口處氣體溫度約170 ℃，冷卻水溫度約30 ℃;而后置低壓反應(yīng)水冷器入口處氣體溫度約70 ℃，冷卻水溫度約30 ℃，相對(duì)溫差減小很多，能很好抑制溫差應(yīng)力腐蝕。同時(shí)原設(shè)備太長(zhǎng)，造成更換成本過(guò)高，而現(xiàn)在通過(guò)前置冷卻器來(lái)大大緩解對(duì)后面一只低壓反應(yīng)水冷器腐蝕，延長(zhǎng)了其使用壽命，如有泄漏只需更換前置低壓反應(yīng)水冷器即可，能減少設(shè)備更換和維修成本。

在具體改造實(shí)施過(guò)程中，考慮到設(shè)備投資的問(wèn)題，換熱器的換熱管材質(zhì)還是選用了304L 不銹鋼，新?lián)Q的兩臺(tái)φ1 500 mm 水冷器的熱管規(guī)格為φ25 mm×5 500 mm，共計(jì)948 根，換熱面積為401 m2，兩臺(tái)水冷器換熱面積共計(jì)802 m2。這樣換熱面積有所增加，保證出口溫度的降低。列管數(shù)量的增加，降低管內(nèi)稀酸的流速，減少了對(duì)換熱管的沖刷程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上改造措施實(shí)施后，低壓反應(yīng)水冷器投入運(yùn)行約2 a 來(lái)，均未發(fā)現(xiàn)換熱管內(nèi)部腐蝕泄漏問(wèn)題，有效地保證了硝酸裝置滿負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了工藝氣體冷卻效果，從而大幅度提高了裝置的生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，是值得行業(yè)內(nèi)推廣的優(yōu)化改造措施。

［1］甄延明，王平，鄭守利，等.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)，2011，38(2):46-47.

［2］秦萬(wàn)慶，陳大雄.內(nèi)孔焊接在低壓反應(yīng)水冷凝器制造中的應(yīng)用［J］.壓力容器，1991，8(6):72-77.

［3］王全文.雙加壓硝酸裝置中低壓反應(yīng)水冷器泄漏及改進(jìn)［J］.煤化工，2013(6):37-39.