氧氮液化設(shè)備氧液化器管道砂眼故障分析與處理

邵新中

引言

YPON-5110/7240型氧氮液化設(shè)備由四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造、安裝，2008年建成投運(yùn)。其工作原理主要是利用循環(huán)氮壓機(jī)將氮?dú)庠鰤海蛎洐C(jī)增壓端進(jìn)一步增壓，并冷卻后膨脹制取冷量，使高壓氮?dú)饫鋮s、液化、過(guò)冷。過(guò)冷的液氮一部分節(jié)流后作為產(chǎn)品去貯槽（或者作為冷源去液化中壓氧氣），既能單獨(dú)生產(chǎn)液氧和單獨(dú)生產(chǎn)液氮，也能同時(shí)生產(chǎn)液氧、液氮。液氧、液氮的產(chǎn)量可以根據(jù)市場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1　氧氮液化設(shè)備工藝流程簡(jiǎn)介

1.1　氧氮液化設(shè)備工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1

1.2　原料氣的來(lái)源

原料氮?dú)庥煽辗痔峁?，循環(huán)氮?dú)庥裳h(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)提供，原料氮?dú)鈮毫?～10 kPa.G（設(shè)計(jì)壓力5 kPa.G），循環(huán)氮?dú)鈮毫椤?.2 MPa.G。

原料氧氣由氧氣透平壓縮機(jī)來(lái)，氧氣壓力：2.0～3.0 MPa.G（設(shè)計(jì)壓力 2.1 MPa.G）。

1.3　冷量的制取

液化設(shè)備的冷量由熱端增壓透平膨脹機(jī)和冷端增壓透平膨脹機(jī)組提供。

1.4　氮?dú)獾囊夯?/h3>

由空分來(lái)的原料氮?dú)饨?jīng)循環(huán)氮壓機(jī)壓縮至2.2 MPa.G，進(jìn)入熱端膨脹機(jī)的增壓端增壓至3 MPa.G后進(jìn)入增壓機(jī)后冷卻器冷卻至40℃，然后進(jìn)入冷端膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)，消耗掉冷端膨脹機(jī)所輸出的能量，同時(shí)得以增壓至3.8 MPa.G，然后進(jìn)入冷端增壓機(jī)后冷卻器冷卻至40℃。

從冷端增壓機(jī)后冷卻器出來(lái)的高壓氮?dú)膺M(jìn)入冷箱，其中一部分被液化；其余部分從氮液化器中部引出去熱端膨脹機(jī)膨脹至0.6 MPa.G，隨后進(jìn)冷端膨脹機(jī)膨脹至0.035 MPa.G。低壓膨脹氮?dú)夥盗髦恋夯髋c高壓氮?dú)鈸Q熱至常溫后出冷箱。液化氮?dú)獬龅夯鞴?jié)流后進(jìn)入液氮過(guò)冷器過(guò)冷。過(guò)冷液氮一部分經(jīng)節(jié)流后返回過(guò)冷器，其余部分節(jié)流后送至液氮貯槽。

1.5　氧氣的液化

當(dāng)氧液化時(shí)，將上述出液氮過(guò)冷器作為產(chǎn)品的液氮分成兩股：一股經(jīng)節(jié)流后作為產(chǎn)品液氮進(jìn)入液氮貯槽；其余經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入氧液化器，與氧氣進(jìn)行換熱被復(fù)熱到常溫后出氧換熱器與出氮液化器的低壓氮?dú)鈪R合后并入空分低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。同時(shí)氧氣被液化，經(jīng)節(jié)流后作為產(chǎn)品液氧進(jìn)入液氧貯槽。

圖1　氧氮液化設(shè)備工藝流程簡(jiǎn)圖

2　液化器基礎(chǔ)溫度異常下降現(xiàn)象

2017年6月30日18:07，因生產(chǎn)需要投運(yùn)氧氮液化設(shè)備，同時(shí)生產(chǎn)液氧、液氮。生產(chǎn)液氧期間，冷箱內(nèi)氧液化器底部基礎(chǔ)溫度TI4001從16℃持續(xù)下降，7月1日20:50最低下降至-109℃。停止生產(chǎn)液氧后，基礎(chǔ)溫度逐漸上升，由此判斷液氧管道泄漏是造成基礎(chǔ)溫度下降的主要原因，必須對(duì)氧氮液化設(shè)備冷箱進(jìn)行扒砂，然后檢查、處理。

3　液化器基礎(chǔ)溫度異常下降分析與處理

2017年7月7日氧氮液化設(shè)備冷箱扒砂完畢，送壓力空氣對(duì)冷箱內(nèi)設(shè)備管道打壓檢查，發(fā)現(xiàn)液氧出氧液化器最底部彎頭外彎處母材有一個(gè)砂眼并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)焊處理（圖2）。

圖2　砂眼及補(bǔ)焊示意

此彎頭規(guī)格為?95×7.5，材質(zhì)為鋁合金（型號(hào)5052），考慮彎頭壁厚較厚且工況介質(zhì)為-183℃左右的液氧，判定母材有砂眼肯定有深層次的原因。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究并結(jié)合6月28日檢查發(fā)現(xiàn)液化設(shè)備冷箱外，液氧去儲(chǔ)槽截止閥及止回閥處有游離水存在的現(xiàn)象，判定為砂眼形成的原因?yàn)楹新入x子的游離水沉積在該彎頭（此彎頭為冷箱內(nèi)氧液化器液氧管道最底部），氯離子造成該鋁制彎頭腐蝕并形成砂眼。

（1）游離水存在的原因

液化設(shè)備自2013年6月22日停運(yùn)后至2017年6月30日前再未運(yùn)行過(guò)，期間液氧通道利用原料氧氣進(jìn)行保壓，保壓至0.1 MPa.G。原料氧氣管道從5#氧氣透平壓縮機(jī)出口中壓氧氣總管底部接入，且為最低點(diǎn)接入。2017年1月8日發(fā)現(xiàn)5#氧氣透平壓縮機(jī)各級(jí)冷卻器都有不同程度的泄漏現(xiàn)象（2017年1月9日全部處理完畢），自2013年6月22日液化裝置停運(yùn)至2017年1月8日發(fā)現(xiàn)5#氧氣透平壓縮機(jī)各級(jí)冷卻器泄漏期間，各級(jí)冷卻器一直存在泄漏但是未被發(fā)現(xiàn)，5#氧氣透平壓縮機(jī)在此期間進(jìn)行過(guò)多次啟停，啟動(dòng)瞬間將漏入各級(jí)冷卻器氣側(cè)的游離水壓出，沉積在出口中壓氧氣總管底部靠近液化設(shè)備原料氧氣最低點(diǎn)接入處，在液化設(shè)備未運(yùn)行且在原料氧氣閥門打開送入氧氣保壓過(guò)程，將游離水帶入液化設(shè)備液氧通道，并最終沉積在冷箱內(nèi)液氧管道最底部事故彎頭處。

（2）腐蝕機(jī)理

5#氧氣透平壓縮機(jī)各級(jí)冷卻器冷卻水為循環(huán)水，水質(zhì)分析結(jié)果顯示氯離子濃度約為150 mg/L，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[1]試驗(yàn)結(jié)果（見圖3），能夠斷定沉積在彎頭處含有大量氯離子的游離水對(duì)鋁合金彎頭具有較強(qiáng)的腐蝕作用。

圖3　氯離子濃度對(duì)鋁的腐蝕作用試驗(yàn)結(jié)果

(3)檢查處理

2017年8月21日，施工條件具備后，將該彎頭切割拆除，發(fā)現(xiàn)彎頭內(nèi)部有鈣垢和水漬，水漬痕跡流向與原料氧氣氣流方向一致，說(shuō)明游離水是從原料氧氣帶入，并且彎頭最低點(diǎn)積水處有許多腐蝕點(diǎn)并呈蜂窩狀（見圖4），經(jīng)過(guò)測(cè)量，有3個(gè)腐蝕點(diǎn)的點(diǎn)坑深度距彎頭外壁接近1 mm，已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)使用要求，若此次只對(duì)泄漏的一個(gè)砂眼進(jìn)行補(bǔ)焊，不對(duì)彎頭進(jìn)行更換，必將會(huì)造成液化設(shè)備生產(chǎn)液氧時(shí)，2.1 MPa左右的液氧再次泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成冷箱爆砂事故發(fā)生，從而造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞甚至導(dǎo)致人員傷亡。最終將此彎頭進(jìn)行更換，經(jīng)過(guò)打壓、無(wú)損檢測(cè)、吹掃、裸冷檢查，確認(rèn)正常后恢復(fù)使用。

圖4　彎頭切割檢查結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

（1）液化設(shè)備原料氧氣、氮?dú)庵兴趾吭龈?，不僅會(huì)造成設(shè)備內(nèi)鋁合金管道腐蝕，還會(huì)造成管道、換熱設(shè)備凍堵?lián)p壞，甚至造成超壓事故發(fā)生，應(yīng)在原料氧氣、氮?dú)膺M(jìn)入液化設(shè)備冷箱前設(shè)置在線露點(diǎn)分析報(bào)警儀并密切監(jiān)視。

（2）日常加強(qiáng)對(duì)氧氣透平壓縮機(jī)冷卻器、氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)冷卻器和增壓透平膨脹機(jī)增壓側(cè)冷卻器的泄漏檢查，防止啟停過(guò)程將泄漏至氣側(cè)的游離水帶入液化設(shè)備冷箱內(nèi)的管道和換熱器中。

（3）對(duì)異常的分析不能拘泥于表面現(xiàn)象，應(yīng)追根溯源才能杜絕事故的發(fā)生。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許維鈞，李文清，盧大容. 純水中微量銅、氯離子對(duì)鋁的腐蝕的影響[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，1965（6）：508-513.