三流體換熱器腐蝕原因分析及改造措施

姚鵬飛

(山西晉豐煤化工有限責任公司　山西高平048400)

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三流體換熱器腐蝕原因分析及改造措施

姚鵬飛

(山西晉豐煤化工有限責任公司山西高平048400)

山西晉豐煤化工有限責任公司(以下簡稱晉豐公司)有2套“18·30”尿素生產裝置，其中脫碳工段均采用NHD物理吸收法脫碳。第2套尿素裝置的脫碳工段因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的變換氣溫度升高、三流體換熱器內部的冷凝水量增多。由于三流體換熱器底部無排凝口，不能及時排出內部的冷凝水，氣液沖刷造成換熱管管口焊縫泄漏，變換氣竄至低閃氣中，導致低閃氣CO2純度過低，被迫緊急停車進行檢修。檢修時發(fā)現(xiàn)三流體換熱器底部封頭及筒體出現(xiàn)多處裂紋，分析原因后對其進行了改造。

1　工藝流程

1.1氣體流程

來自變換氣脫硫工段的氣體經干法脫硫槽脫硫后進入干脫后水冷器降溫，然后經進塔氣分離器I分離水分后進入三流體換熱器底部，與低閃氣CO2、凈化氣換熱，降溫后的氣體經進塔氣分離器II分離水分后進入脫碳塔底部，氣體自下而上與從上而下的NHD貧液逆流接觸，進行CO2的脫除；脫碳塔頂部出來的氣體經凈化氣分離器分離夾帶的NHD霧沫后進入三流體換熱器上部回收冷量，最終去精脫硫工段。

1.2液體流程

來自汽提塔塔底的NHD貧液經脫碳泵加壓后送至溶液氨冷器降溫，然后進入脫碳塔頂部。吸收了CO2的NHD富液經渦輪泵回收能量后進入高壓閃蒸槽，初步閃蒸出CO2，H2和N2的NHD溶液進入低壓閃蒸槽，在此閃蒸出CO2氣體，再經低閃氣分離器分離NHD霧沫后進入三流體換熱器下部，回收冷量后再去尿素工段。低壓閃蒸槽內的NHD溶液經U形管進入汽提塔頂部，用空氣汽提出NHD溶液中殘存的CO2氣體，汽提塔底部的NHD貧液經脫碳泵加壓后進行下一個循環(huán)。

1.3汽提空氣流程

汽提空氣由羅茨鼓風機抽引，經空氣過濾器進入空氣換熱器與汽提氣換熱，溫度降低后進入空氣分離器分離水分，再經п形管道進入汽提塔底部，自下而上對汽提塔頂來的NHD溶液進行汽提解吸，汽提塔頂部出來的汽提氣經解吸氣分離器分離夾帶的NHD液滴后再進入空氣換熱器回收冷量，最終在羅茨鼓風機出口放空。

2　主要設備

NHD脫碳工段主要設備參數(shù)見表1。

表1　NHD脫碳工段主要設備參數(shù)

3　存在的問題

正常運行中，進干法脫硫槽的氣體溫度約為40.0 ℃，經干脫后水冷器降溫后的氣體溫度約為28.7 ℃，經三流體換熱器降溫后的氣體溫度約為12.5 ℃。因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的氣體溫度上升至約36 ℃，為了維持生產，將干脫后水冷器水側的排氣閥常開排氣，三流體換熱器出口氣體溫度約20 ℃，維持運行了1個多月。后因低閃氣中φ(CO2)由原來的98.5%降至85.0%，被迫緊急停車進行檢修。打開三流體換熱器人孔，發(fā)現(xiàn)其鍋底封頭、筒體、中段管板間筒體出現(xiàn)多處裂紋，而干脫后水冷器封頭及筒體并未出現(xiàn)類似裂紋。

4　原因分析

(1)三流體換熱器變換氣進口管是從底部封頭中間直接進入，且底部無排凝口，造成冷凝水無法排放。因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的氣體溫度升高，大量水在三流體換熱器下部冷凝，氣液沖刷造成換熱管管口焊縫腐蝕、泄漏。

(2)因干法脫硫槽內的活性炭脫硫劑更換不及時，造成干脫后H2S含量長期超標(H2S質量濃度為8.5～10.2 mg/m3)，在三流體換熱器內H2S- CO2- H2O共存的條件下，再加上氣體流速較快，造成H2S腐蝕和氫脆。在H2S的水溶液中，分子態(tài)的H2S引起了鋼的脆化，這一過程是按以下順序進行的。

H2S(吸附)+e→H2S-(吸附)

H2S-(吸附)→HS-+H(吸附)

HS-+H+→H2S

這樣反復的作用，生成大量的氫原子吸附在鋼的表面上，為鋼的滲氫脆化提供了必要條件。H2S在鋼腐蝕的氫電極反應中起了催化作用和主導作用，水是引起腐蝕的必要條件，CO2的存在會促進腐蝕。

(3)干脫后水冷器封頭及筒體材質均為0Cr18Ni9，而三流體換熱器封頭、筒體材質均為16MnR，在三流體換熱器內部H2S- CO2- H2O共存的條件下，造成三流體換熱器封頭及筒體形成硫化物腐蝕，進而產生裂紋。

5　改造措施

通過分析三流體換熱器內部裂紋出現(xiàn)的原因，檢修過程中更換了干法脫硫槽內的活性炭脫硫劑，同時在干脫后水冷器、三流體換熱器消漏后，對三流體換熱器內部進行了改造：①將三流體換熱器底部變換氣進口管向上延伸500 mm，管口割成鋸齒狀并在其上部安裝升氣帽，升氣帽通過不銹鋼管焊接固定在進氣管上(圖1)；②對三流體換熱器底部封頭及筒體的裂紋先用角磨機修復，然后用J507焊條補焊，最后在底部封頭及筒體處用厚 3 mm的不銹鋼板(材質為0Cr18Ni9)作內襯，全部滿焊；③在變換氣進氣管口處用Φ57 mm不銹鋼管制作一倒U形彎排凝口，內部靠近變換氣進氣管壁且焊接固定在進氣管外壁上，穿過進氣管外部固定在檢查孔上(如圖1虛線部分所示)。

圖1改造前、后三流體換熱器示意

6　改造效果

改造后，因三流體換熱器底部增加了鍋底導淋，稍開導淋可連續(xù)排水，減少了三流體換熱器內的冷凝水流量，氣液沖刷現(xiàn)象得到改善，三流體換熱器出口的變換氣溫度較改造前也有所降低，由12.5 ℃降至11.5 ℃ 。通過在三流體換熱器內部增加不銹鋼內襯，緩解了H2S- CO2- H2O共存條件下造成的硫化物腐蝕，每次遇系統(tǒng)小修時，打開三流體換熱器人孔檢查，底部封頭及筒體內襯處均未出現(xiàn)裂紋。

2015- 05- 10)