氨合成系統(tǒng)列管式水冷器內(nèi)漏原因分析

李 進(jìn)

(湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北大悟 432818)

湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司合成氨分廠設(shè)計能力年產(chǎn)80 kt合成氨裝置于2011年9月投產(chǎn)，設(shè)計滿負(fù)荷(3臺6M32-180/314型壓縮機(jī))日產(chǎn)合成氨240 t。氨合成系統(tǒng)設(shè)計壓力為31.4 MPa，正常生產(chǎn)時系統(tǒng)壓力約為24.0 MPa，配套臥式列管式水冷器(管程壓力31.4 MPa，殼程壓力1.0 MPa)，開車至今已更換3臺相同型號合成水冷器，合成水冷器多次內(nèi)漏導(dǎo)致緊急停車，直接影響合成氨裝置連續(xù)穩(wěn)定運行。

1 工藝流程及主要設(shè)備

工藝流程：由氫氮氣壓縮機(jī)六段出口送來的新鮮氣，經(jīng)補(bǔ)氣氨冷器冷卻后進(jìn)入油水分離器，分離油水后與氨冷器冷卻后的循環(huán)氣體一同進(jìn)入氨分離器，分離液氨后的混合氣體經(jīng)循環(huán)氣壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入循環(huán)氣油水分離器，分離油水后進(jìn)入合成塔；反應(yīng)后的合成氣出塔進(jìn)入廢熱鍋爐，回收熱量后去熱交換器，換熱后再進(jìn)入合成水冷器及冷交換器，氣體溫度進(jìn)一步降低后去氨冷器，與補(bǔ)入的新鮮氫氮氣匯合后，然后去氨分離器，如此進(jìn)行循環(huán)[1]。氨合成系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 氨合成系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

2 存在的問題

該氨合成系統(tǒng)采用臥式列管式水冷器，冷卻水走殼程，合成氣走管程。2011年9月運行至今，合成水冷器內(nèi)漏緊急停車22次，已更換3臺(1#～3#)相同型號列管式水冷器。氨合成系統(tǒng)水冷器運行內(nèi)漏情況見表2。

表1 氨合成系統(tǒng)水冷器運行內(nèi)漏情況

3 原因分析

合成水冷器殼程流體流過換熱管時，以特定的固有頻率沖擊換熱管，進(jìn)而引發(fā)振動。當(dāng)流體引發(fā)振動的振幅增大到換熱管無法支撐跨距的中部產(chǎn)生碰撞或者在折流板產(chǎn)生摩擦?xí)r，會造成換熱管泄漏或換熱管與管板連接處泄漏，產(chǎn)生過大的噪聲和合成水冷器殼程壓降增高。監(jiān)控合成水冷器殼程壓降突然增高時，需立即作停車處理，防止安全事故發(fā)生[2-3]。誘發(fā)合成水冷器管束振動的原因有旋渦脫落、湍流抖振、流體彈性不穩(wěn)定性、聲共振等4種。

3.1 防振措施設(shè)計

1#水冷器設(shè)備設(shè)計時，進(jìn)水口未設(shè)置擋板，高速水流直接沖刷換熱管，產(chǎn)生劇烈振動，導(dǎo)致?lián)Q熱管被折流板切斷而爆管，屬于流體彈性不穩(wěn)定性導(dǎo)致管束振動引起的。2#水冷器設(shè)計時，未能吸取1#水冷器換熱管爆管的教訓(xùn)；而在設(shè)計3#水冷器內(nèi)件時，采取了加強(qiáng)預(yù)防振動的措施，在進(jìn)、出水端增加折流桿，增大設(shè)備固有頻率，提高臨界頻率，防止水冷器管束振動。

3.2 換熱器跨距設(shè)計

換熱器固有頻率和跨距的平方成反比，跨距的減少能明顯提高換熱器的固有頻率，增大臨界速率，避免錯流速超過臨界速率而引起流體彈性不穩(wěn)定性振動。國內(nèi)某同規(guī)模氨合成裝置采用臥式列管式換熱器(DN 1 800 mm，長度7 358 mm，F(xiàn)=800 m2)長周期運行后無泄漏；在相同換熱面積的前提下，湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司3臺列管式水冷器設(shè)計跨距(長度10 800 mm)比其長3 442 mm，換熱器固有頻率相對減低，管束振動發(fā)生概率增大，易導(dǎo)致?lián)Q熱器損壞。

3.3 運行操作

在合成氨裝置開停車期間，溫度、壓力的升降對合成水冷器造成不同程度的破壞，3#水冷器在2016年4月至7月發(fā)生7次內(nèi)漏，與合成氨裝置加減負(fù)荷和非計劃開停車有直接關(guān)系。合成水冷器內(nèi)漏后，不可避免導(dǎo)致氣氨進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)，雖然經(jīng)過冷卻塔蒸發(fā)，但對合成水冷器列管仍會產(chǎn)生腐蝕，促使其發(fā)生內(nèi)漏。

4 結(jié)語

在氨合成系統(tǒng)水冷器的選型設(shè)計中，要重點考慮換熱管束防振措施，在相同條件下要縮小水冷器跨距，以提高水冷器的固有頻率，減小流體彈性不穩(wěn)定性而導(dǎo)致管束振動，降低水冷器發(fā)生內(nèi)漏的概率。

2016年7月后，合成氨系統(tǒng)降低負(fù)荷2機(jī)生產(chǎn)，同時加強(qiáng)控制冷卻水水質(zhì)，定期添加液堿，保持循環(huán)水pH≥7，3#水冷器運行至今未發(fā)生內(nèi)漏。為滿足合成氨系統(tǒng)在滿負(fù)荷3機(jī)生產(chǎn)需要，擬采購1臺套管式水冷器(F=558 m2，2組套管式換熱管組件)作為4#合成水冷器與3#水冷器并聯(lián)運行，以降低3#水冷器的運行負(fù)荷，確保在高負(fù)荷、高溫下氨合成系統(tǒng)水冷器的冷卻效果，達(dá)到系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行的目的。