氨冷凝器泄漏分析與改進

黃俊超 徐才福 中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

某項目中合成氨裝置在氨壓縮機和合成氨冷凍工序相關(guān)設(shè)備聯(lián)動試車之際，對試車過程中氨冷凝器的管程循環(huán)水進出口成分進行取樣分析。試車之初循環(huán)水入口沒有NH3，出口水中含有NH3，繼續(xù)取樣發(fā)現(xiàn)NH3含量隨著試車時間增加而逐步增大，最后達到300ppm，判斷氨冷凝器有泄漏現(xiàn)象。后續(xù)對該設(shè)備再次進行水壓試驗發(fā)現(xiàn)泄漏點，進行補焊堵管后投入使用。使用6個月左右發(fā)現(xiàn)該設(shè)備腐蝕較為嚴重，遂采用內(nèi)涂涂層的方案重新制造一臺。

1 設(shè)備簡介

氨冷凝器為合成氨裝置的換熱器設(shè)備。殼程介質(zhì)為氨，管程介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，采用廠區(qū)公用系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水作為操作介質(zhì)。殼程工藝介質(zhì)組分主要為NH3,同時含極少量的H2、N2、CH4、Ar等氣體。管程分為兩程，循環(huán)冷卻水從帶分程隔板的一側(cè)管箱下部入口進入，通過一半數(shù)的換熱管(2220根列管)流到另一端管箱，改變流向后折返回到另一半數(shù)的換熱管(2220根列管)再回到帶分程隔板的管箱一側(cè)上部的出口。來自于氨壓縮機、經(jīng)循環(huán)冷卻水降溫冷卻后的液氨及氣相混合物進入氨接收器。正常操作時，循環(huán)冷卻水入口溫度為28℃，出口溫度為36.7℃，管側(cè)操作壓力為0.331MPa(G)，氨入口溫度為114.7℃，經(jīng)冷卻后出口溫度為39℃，殼程操作壓力為1.504MPa(G)。開車時，先通入管側(cè)冷卻水，然后通入殼程介質(zhì)。緊急事故工況下會發(fā)生來自于氨壓縮機的工藝介質(zhì)突然停掉，管側(cè)出現(xiàn)負壓工況的可能性。

1.1 設(shè)備主要參數(shù)

(1)氨冷凝器殼程：設(shè)計壓力為2.16MPa,設(shè)計溫度為150℃，操作壓力為1.504MPa，操作溫度為39～114.7℃,平均金屬壁溫為44.7℃，介質(zhì)為液氨/氣氨，中度危害/易爆。

(2)氨冷凝器管程：設(shè)計壓力為(0.7/F.V)MPa,設(shè)計溫度為70℃，操作壓力為0.331MPa，操作溫度為28～36.7℃,平均金屬壁溫為39℃，介質(zhì)為冷卻水。

(3)設(shè)備主要受壓元件材料：板材為Q345R(正火)(GB/T713-2014)，鍛件為16MnⅢ(NB/T47008-2017)，換熱管為20(正火)(高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管GB/T9948-2013)。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

換熱器形式為NEN，換熱面積為3727m2，容積為18.1m3(殼程)/16.9m3(管程)，外形尺寸為長約13.54m、高約2.71m、外徑2.04m，屬于第二類壓力容器。氨冷凝器為固定管板結(jié)構(gòu)形式，換熱管與管板采用強度焊+貼脹的連接方式，管子與管板采用自動焊(焊接兩遍)，焊接接頭外觀光滑成魚鱗狀焊道(典型的自動焊成型焊道)，貼脹長度42mm。設(shè)備外形尺寸詳見圖1，換熱管與管板連接形式詳見圖2。

圖1 氨冷凝器外形圖

圖2 換熱管與管板連接形式

2 泄漏原因分析

發(fā)現(xiàn)循環(huán)水出口水中含有NH3后，即用中壓氮氣對殼程的HN3進行置換，并將兩端管箱封頭拆開，拆卸過程中發(fā)現(xiàn)有很濃的氨味，初步判定管殼程之間存在泄漏。管板表面附著很厚的污垢，表面凹凸不平，顏色為黃褐色、黑色的積垢和污物(見圖4)。在管子與管板焊接接頭和管板金屬表面，主要在中心區(qū)域以及中心下部的大范圍內(nèi)，金屬表面發(fā)生腐蝕比較嚴重，有明顯的金屬減薄和脫落；打開的管箱蓋污垢較重，有許多異常物包含其中，金屬表面腐蝕也較嚴重。管板區(qū)域上部的管子與管板焊接接頭和管板金屬表面沒有發(fā)生嚴重的腐蝕，表面比較光滑平整，保持了原來產(chǎn)品良好的狀態(tài)。而管板中心和下部的區(qū)域，管子與管板焊接接頭和管板的金屬表面已經(jīng)腐蝕得出現(xiàn)凹坑(見圖3)。

圖3 高壓水槍沖洗后的管板(坑蝕)

圖4 高壓水槍沖洗前的管板

2.1 水壓試驗記錄

拆開設(shè)備兩端封頭以后，利用中壓氮氣進行試壓，試驗壓力為2MPa(由現(xiàn)場實際條件決定)，兩端管板均勻涂刷肥皂水檢漏，共檢查處理漏點61處，其中堵管45根，補焊16處，堵管補焊后再次用2MPa的氮氣試壓無泄漏。由于換熱管內(nèi)淤泥等污垢太多，現(xiàn)場用高壓沖洗水泵將換熱管逐根沖洗后再檢漏，發(fā)現(xiàn)漏點2處,堵管1根,補焊1處。最后再用20%～30%的氨檢漏，確認無漏點后正式將設(shè)備封閉。經(jīng)兩次檢查處理，此設(shè)備共檢查處理漏點77處，其中堵管60根，補焊17處。循環(huán)水腐蝕對管子與管板焊接接頭、管板的金屬表面和換熱管材料的損傷十分明顯，詳見圖5、圖6、圖7。

圖5 管板泄漏點

圖6 換熱管泄漏點

圖7 氨抽出的換熱管穿孔

管板和換熱管的焊縫漏點集中分布在不帶分層隔板側(cè)的管板上，且主要分布在該管板的下半部分，這部分粘結(jié)的泥沙、污垢等最多，同時出現(xiàn)換熱管泄漏的情況。根據(jù)業(yè)主提供的水質(zhì)檢驗報告，水質(zhì)呈弱堿性，使用的循環(huán)水比較臟，導致?lián)Q熱管和管板結(jié)垢很嚴重。修補的缺陷無論是焊縫還是換熱管泄漏都主要集中發(fā)生在不帶分程隔板一側(cè)管箱管板的下半部分?，F(xiàn)場為了取樣分析抽出的兩根換熱管，就是從位于管板下半部分已發(fā)生泄漏的換熱管中選取的。比較這兩根換熱管的泄漏點，外觀形貌相似，都是孔洞，出現(xiàn)的位置差不多，都在離管端部(不帶分程隔板側(cè))1～1.5m范圍內(nèi)，這些穿孔是嚴重的垢下腐蝕造成的。

2.2 材料理化檢測

材料理化檢測中心的檢測報告是基于現(xiàn)場取樣的腐蝕物和截取的腐蝕穿孔樣。檢測中心應(yīng)用分析儀器和高倍顯微放大鏡照相分析，結(jié)論是該換熱管金屬樣品符合16Mn鋼管標準，材料的顯微組織、非金屬夾雜物的含量、表面光潔度、換熱管規(guī)格和尺寸要求是合格的。

腐蝕物主要成分是氧化鐵，還含有氯化鐵、硫化鐵等。從樣管縱向剖開，內(nèi)表面有垢層，清除垢層后可見大小不同的的坑洞，個別坑洞已經(jīng)穿過管壁，明顯為電化學的點腐蝕失效。點腐蝕是源于管子內(nèi)表面與管內(nèi)介質(zhì)發(fā)生作用，這是一個去極化的電化學腐蝕，污垢造成了內(nèi)部含氧量低，缺氧區(qū)的管壁是陽極，發(fā)生了金屬的氧化反應(yīng)。由于結(jié)垢的強度不能保護金屬表面，從而進一步深入和脫落，縫隙腐蝕向管壁深度方向進一步發(fā)展，引起管壁穿孔。循環(huán)冷卻水中存在氯和硫的離子，加速了金屬的腐蝕。

3 改造措施

根據(jù)《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》關(guān)于氨和氨水對碳鋼材料的腐蝕說明，泄露的氨溶解到循環(huán)水中，在常溫下，當氨水的濃度在30%～40%時，碳鋼材料是可用的，腐蝕速率在0.5mm/年以下。即使腐蝕穿孔后的氨泄漏到循環(huán)冷卻水中，對常溫下的碳鋼材料是不構(gòu)成腐蝕危害的。氨冷凝器的腐蝕主要原因在于循環(huán)冷卻水水質(zhì)。

3.1 水質(zhì)要求

循環(huán)水進入氨冷凝器之前一定要做好水處理工作：①首先循環(huán)水管網(wǎng)必須徹底沖洗干凈，并將沖洗過的臟水用干凈的水置換掉；②在循環(huán)水進入設(shè)備之前，一定要加藥物對循環(huán)水進行處理，對循環(huán)水的PH值、濁度、含氧量、菌類數(shù)、鈣、鎂和氯離子的含量進行控制，保證循環(huán)水的質(zhì)量合格；③處理好的循環(huán)水進入設(shè)備后，加入化學清洗劑，連同所有換熱器和其他設(shè)備進行徹底沖洗；④沖洗結(jié)束后最好要加入預膜劑，對整個循環(huán)系統(tǒng)進行預膜處理，預膜好后再置換掉；⑤設(shè)備正常運行時循環(huán)水水質(zhì)需滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》GB50050-2007標準要求，其中氯離子含量小于150ppm。

3.2 制造要求

3.2.1 涂層防腐

對氨冷凝器循環(huán)水側(cè)噴涂防腐涂層，建議選用耐高溫耐腐蝕的氟碳涂料，該涂層是以有機氟碳樹脂制成的產(chǎn)品，具有極強的附著力，其耐久性、耐候性、耐化學腐蝕品性能較好，使用壽長。設(shè)備制造檢驗合格后，與冷卻水接觸的設(shè)備表面按照《鋼制換熱設(shè)備管束復合涂層施工及驗收規(guī)范》SH/T 3540-2007檢驗，涂層型號SHY99。每一道漆膜表干后進行高溫固化處理，嚴禁出現(xiàn)驟冷驟熱的現(xiàn)象，漆膜總厚度不小于120μm(涂4遍以上)。

3.2.2制造質(zhì)量

首先應(yīng)該嚴格按照圖紙技術(shù)要求和換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)節(jié)點圖(本設(shè)備詳見圖2)，控制貼脹長度按照GB/T 9948-2013控制換熱管外徑偏差和壁厚偏差，管板上管孔尺寸偏差及垂直度公差要求，管孔處不允許存在縱向條痕。管接頭處采用強度焊+貼脹，焊接前應(yīng)按標準NB/T47014-2011附錄D進行焊接工藝評定，焊后對焊接接頭進行100%的無損探傷檢查，結(jié)果為I級合格。設(shè)備制造完畢后進行消除應(yīng)力熱處理，熱處理前應(yīng)制定合格的熱處理工藝，以滿足HG/T20581-2011中7.8.4的對應(yīng)要求，管箱及分程隔板密封面在熱處理后精加工。

4 結(jié)語

合成氨項目中氨冷凝器的泄漏現(xiàn)象常有發(fā)生，部分項目中該設(shè)備泄漏失效是因為管接頭的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計不當導致，考慮到液氨應(yīng)力腐蝕，推薦采用強度焊+液壓貼脹的連接形式；部分是因為制造環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不嚴格導致(氨冷凝器換熱管根數(shù)較多)；部分是由于運行期間循環(huán)冷卻水質(zhì)不滿足要求，導致循環(huán)水側(cè)腐蝕較為嚴重。循環(huán)冷卻水中污染物質(zhì)、冷卻水回流、渦流、冷卻水流速降低、重力作用使得污染物質(zhì)下沉、結(jié)垢，造成了該管板的中心和下部區(qū)域的管板和換熱管內(nèi)部嚴重的垢下腐蝕、金屬脫落，是換熱管腐蝕穿孔的重災(zāi)區(qū)。

通過改造后設(shè)備運行對比，證實了文中所述措施可以延長設(shè)備的使用壽命，改造后因泄漏等情況導致的非正常停車次數(shù)降低，工藝生產(chǎn)更穩(wěn)定，經(jīng)濟效益提高。