尿素裝置換熱器典型問題及應(yīng)對(duì)措施

(山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253024)

管殼式換熱器是尿素裝置應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，主要包括固定管板式、U型管式、浮頭式、填料函式等形式。由于運(yùn)行工況的多樣性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，換熱器也是最容易出現(xiàn)問題的靜止設(shè)備。目前，管殼式換熱器失效主要包括傳熱效率降低、局部泄漏、特殊結(jié)構(gòu)失效等，其中，泄漏對(duì)裝置安全高效運(yùn)行的影響最為嚴(yán)重。筆者就尿素裝置換熱器出現(xiàn)的問題進(jìn)行剖析討論，為提高換熱器維護(hù)管理水平、延長(zhǎng)裝置穩(wěn)定運(yùn)行周期提供借鑒。

1 傳熱效率降低

(1)換熱器在役期間，由于循環(huán)水硬度高或含有顆粒、懸浮物等，在流經(jīng)換熱器管程或殼程時(shí)，會(huì)在換熱管內(nèi)外結(jié)垢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻塞換熱管及管間空隙，致?lián)Q熱器效率大大降低。

(2)優(yōu)化及改進(jìn)措施：①優(yōu)化介質(zhì)環(huán)境，從根源解決結(jié)垢問題，通過進(jìn)一步優(yōu)化加藥、反洗、排水等工藝指標(biāo)，降低流體介質(zhì)硬度、顆粒度，增加過濾器等措施過濾固體雜質(zhì)；②增加介質(zhì)流速或防結(jié)垢裝置，如采用多管程換熱器提高循環(huán)水流速，增加螺旋防垢裝置、橡膠球或其他固體顆粒循環(huán)裝置防止結(jié)垢等；③在換熱器列管表面增加防結(jié)垢涂層；④定期檢查和清洗，增加清洗頻次，防止結(jié)垢過硬和換熱管垢下腐蝕造成泄漏。高調(diào)水冷卻器清洗前后對(duì)比見圖1。

圖1 高調(diào)水冷卻器清洗前后對(duì)比

需特別注意的是： CO2壓縮機(jī)油冷、離心式氨泵油冷等板式換熱器的使用范圍要求冷熱介質(zhì)是潔凈介質(zhì)，防止板片之間堵塞。無(wú)法規(guī)避時(shí)，采用可實(shí)現(xiàn)在線切換的過濾設(shè)施，定期清理。

2 換熱管泄漏

2.1 腐蝕因素造成換熱器失效

(1)腐蝕是造成換熱設(shè)備泄漏失效最普遍的因素，包括應(yīng)力腐蝕、介質(zhì)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等。CO2壓縮機(jī)二段級(jí)間冷卻器見圖2。

圖2 CO2壓縮機(jī)二段級(jí)間冷卻器

山東華魯恒升化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱華魯恒升)工業(yè)園CO2離心壓縮機(jī)一段級(jí)間換熱器、3#尿素CO2壓縮機(jī)二段級(jí)間冷卻器都出現(xiàn)過泄漏。工藝介質(zhì)為CO2，溫度為230℃，泄漏多為換熱管裂，更換檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于介質(zhì)與循環(huán)水溫差較大，循環(huán)水側(cè)泥垢堆積嚴(yán)重，造成垢下腐蝕裂紋；同時(shí)，循環(huán)水中Cl-濃度偏高(600～800mg/L)，也是造成腐蝕的典型原因。CO2壓縮機(jī)二段級(jí)間冷卻器換熱管垢下腐蝕開裂見圖3。

圖3 CO2壓縮機(jī)二段級(jí)間冷卻器換熱管垢下腐蝕開裂

(2)優(yōu)化及改進(jìn)措施：①改善環(huán)境，分析腐蝕發(fā)生機(jī)理，從根源消除腐蝕環(huán)境：降低水中腐蝕介質(zhì)成分，如Cl-、CO2等易造成介質(zhì)腐蝕、應(yīng)力腐蝕的環(huán)境；②選擇合適的換熱管材質(zhì)、管板堆焊層材質(zhì)，以適應(yīng)相應(yīng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境；③保證管板及換熱管材質(zhì)選用正確，保證加工質(zhì)量，避免因選材及加工問題造成的換熱器泄漏；④根據(jù)循環(huán)水中Cl-含量和介質(zhì)溫度，依據(jù)規(guī)范進(jìn)行材料選用。

值得特別注意的是，碳鋼換熱管(20#)可用在氨冷器等無(wú)腐蝕工況；其他工況介質(zhì)最低采用304不銹鋼(循環(huán)水也采用304材質(zhì))，管板與換熱管之間采用強(qiáng)度焊加貼脹，管板可以用碳鋼，采用復(fù)合管板，復(fù)合層材質(zhì)與換熱管材質(zhì)相同；循環(huán)水應(yīng)盡量避免流經(jīng)殼程。不能避免的換熱器、折流板和拉桿等的材質(zhì)均采用304不銹鋼。

2.2 振動(dòng)、沖刷及管束加工質(zhì)量等因素造成換熱器失效

(1)折流板管孔加工等級(jí)超差，造成換熱管較大長(zhǎng)度沒有支撐，工藝介質(zhì)為氣體或氣液混合物，在換熱管內(nèi)流動(dòng)會(huì)引起換熱管振動(dòng)與折流板摩擦，長(zhǎng)期如此會(huì)造成換熱管斷裂、減薄，導(dǎo)致泄漏。

2017年9月，華魯恒升尿素循環(huán)水水站突發(fā)氨氮快速上漲，經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)1#尿素回流冷卻器循環(huán)水回水氨氮高達(dá)15 000mg/L。判斷為回流冷卻器泄漏，系統(tǒng)減量，停水系解析系統(tǒng)進(jìn)行查漏堵漏。經(jīng)過試壓，發(fā)現(xiàn)泄漏管線只有一根，泄漏量巨大，堵漏后系統(tǒng)運(yùn)行正常。在大修時(shí)，將換熱器接管拆除檢查，發(fā)現(xiàn)在解析塔氣相進(jìn)回流冷處，換熱器防沖板脫落，一根換熱器斷裂，其他換熱管在折流板管孔處也存在不同程度的磨損。

(2)優(yōu)化及改進(jìn)措施：①嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求控制折流板及管板加工精度，換熱管到貨后對(duì)其尺寸嚴(yán)格復(fù)核，不允許換熱管拼接；不銹鋼換熱管管端應(yīng)清除表面附著物及氧化層，碳素鋼、低合金鋼換熱管管端外表面應(yīng)除銹至呈現(xiàn)金屬光澤。管端清理長(zhǎng)度不小于換熱管外徑，且不小于25mm；②換熱器組裝過程中嚴(yán)格按照要求穿管，禁止強(qiáng)力組裝，避免換熱管損傷；③改進(jìn)結(jié)構(gòu)：在有氣液沖擊振動(dòng)的環(huán)境中，為了防止換熱管與折流板之間摩擦，要求在介質(zhì)進(jìn)入換熱器處設(shè)置防沖板，同時(shí)提高折流板管孔加工等級(jí)，也可以在換熱管與折流板之間增加四氟套減少摩擦；④優(yōu)化工藝操作，避免溫度、壓力波動(dòng)，引起管束共振。

2.3 管板與換熱管連接失效

(1)換熱器管板與換熱管之間的主要連接方式有強(qiáng)度焊接、強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊加貼脹、密封焊加強(qiáng)度脹等，該位置發(fā)生泄漏的事故也較為頻繁。造成泄漏的主要原因?yàn)槲疵浌芑蛎浗訌?qiáng)度不夠、密封焊接失效(應(yīng)力過大開裂、焊接缺陷、應(yīng)力腐蝕等)、間隙腐蝕等。

(2)優(yōu)化及改進(jìn)措施：①管頭焊接前不銹鋼換熱管管端應(yīng)清除表面附著物及氧化層，碳素鋼、低合金鋼換熱管管端外表面應(yīng)除銹至呈現(xiàn)金屬光澤。管端清理長(zhǎng)度不小于換熱管外徑，且不小于25mm；②控制折流板及管板加工精度，換熱管到貨后對(duì)換熱管尺寸嚴(yán)格復(fù)核；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求控制管頭焊接質(zhì)量，焊接前應(yīng)按NB/T47014進(jìn)行焊接工藝評(píng)定并確保合格；③管頭全部氬弧焊接，且不少于兩遍，焊腳高度符合GB151規(guī)定；④有脹接要求的管頭應(yīng)進(jìn)行脹接工藝評(píng)定并確保合格，同時(shí)嚴(yán)格進(jìn)行所有管頭的脹接工序，推薦采用液壓脹接工具進(jìn)行脹接工作。

3 結(jié)語(yǔ)

換熱器管理是化工生產(chǎn)裝置管理的重要組成部分，尿素裝置涉及的換熱器種類多，工況各異，需要研究問題發(fā)生的特點(diǎn)及原因進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)防，從設(shè)備選型選材、加工制造、工藝操作、介質(zhì)環(huán)境的每一個(gè)細(xì)節(jié)深入分析，從問題發(fā)生的根源著手，提前對(duì)易發(fā)故障的換熱設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)防與維護(hù)，才能有效避免換熱器失效的發(fā)生。