氯氣壓縮機級間冷卻器泄漏及防控措施

張友誼，吳紅忠，龐小才，郭鵬，段治予

(焦作煤業(yè)(集團)開元化工有限責任公司，河南 焦作 454191)

焦作煤業(yè)(集團)開元化工有限責任公司(以下簡稱“開元化工”)20萬t/a離子膜法燒堿生產(chǎn)裝置采用的氯氣壓縮機(包括供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng))由德國西門子生產(chǎn)，型號為STC-SH(8-4-VRZ)，配備4臺國產(chǎn)級間冷卻器。該氯氣壓縮機系統(tǒng)從2011年投用至今，由于使用年限較長，近兩年來級間冷卻器中的冷卻管頻繁出現(xiàn)內(nèi)漏故障，導致離子膜法燒堿裝置停車、停產(chǎn)，給公司造成較大的經(jīng)濟損失。為解決這個問題，在原有設備管理基礎上強化級間冷卻器強制更換管理，同時優(yōu)化改造獨立封閉冷卻器循環(huán)水系統(tǒng)。采用這種新型單獨的循環(huán)水系統(tǒng)后，可及時有效地發(fā)現(xiàn)并處理循環(huán)水水質(zhì)產(chǎn)生的變化或影響，避免因此而引起的停車情況，有效保障燒堿生產(chǎn)裝置長期穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)的工作原理[1]

氯氣壓縮機為離心式透平壓縮機，壓縮機的轉(zhuǎn)子在電動機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力對氯氣做功，葉輪的進口產(chǎn)生負壓，從而將氣體連續(xù)吸入機內(nèi)；氣體在強大離心力的作用下，壓力得到提高，同時動能也大為增加；隨后氣體在擴張的流道中流動時又將這部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使氣體的壓力得到進一步提高，從而達到提高氣體壓力的目的。經(jīng)過一級壓縮的氯氣溫度、壓力升高，進入一級冷卻器(因為氣體的壓縮消耗機械能并轉(zhuǎn)化為熱能，所以壓縮機每一段的壓縮比不能過大，必須在級間設置中間冷卻器以移去熱量，使氣體體積減小以利于壓縮過程的逐級進行)，利用循環(huán)冷卻水換熱后將氯氣冷卻；然后依次進入二級、三級、四級壓縮及冷卻后，氯氣被送至氯氣液化儲存及包裝出售。

2 級間冷卻器運行情況[2]

2.1 級間冷卻器的制造參數(shù)

級間冷卻器為列管式換熱器，屬于Ⅱ類壓力容器。殼程介質(zhì)為氯氣，管程介質(zhì)為循環(huán)水，外形尺寸Φ950×6 525，換熱面積137.8 m2，換熱管394根(規(guī)格Φ25×2、材質(zhì)10#鋼)，殼體Q345R、厚度12 mm，管板16MnⅢ。管子和管板連接方式為：外管板為強度焊加貼脹，內(nèi)管板采用強度脹。管程接觸水的金屬表面涂覆以氨基環(huán)氧涂料為基料，添加防蝕防銹顏料、導熱性顏料和防沉淀劑等組分的涂層，涂層厚度要求0.2 mm。

2.2 冷卻器運行狀況

4臺級間冷卻器運行狀況見表1。

2.3 級間冷卻器泄漏情況

氯氣壓縮機級間冷卻器自2011年11月投用，2016年9月三級冷卻器第一次發(fā)生泄漏事故，現(xiàn)場采用堵管處置后再次投入使用，同時采購4臺新的冷卻器,并于2016年11月26日全部更換。

2019年8月7日—2020年3月14日，一級冷卻器發(fā)生6次泄漏，二級冷卻器發(fā)生2次泄漏，均是由于換熱管泄漏，導致氯氣進入循環(huán)水系統(tǒng)，造成現(xiàn)場循環(huán)水游離氯含量嚴重超標(0.05%～0.10%)、pH值嚴重偏低(pH值為1.2～4)?，F(xiàn)場均采取緊急停車，拆卸了兩邊封頭，檢查出泄漏管道，兩邊堵管后繼續(xù)投入使用，同時訂購4臺新的冷卻器備用。

2020年3月大修期間，對4臺級間冷卻器進行了整體更換，并于3月28日投入運行。2020年7月8日，二級冷卻器再次泄漏，采取的措施均是將漏管進行兩頭封堵。泄漏情況見表2。

表2 級間冷卻器泄漏統(tǒng)計表

3 泄漏原因及整改措施

3.1 現(xiàn)場拆解設備情況

為察看換熱管腐蝕情況，分析泄漏原因，開元化工拆解更換下來的一級冷卻器，取出泄漏的換熱管，并刨開換熱管泄漏段，腐蝕情況詳見圖1～圖3。

圖1 換熱管未拆解漏點Fig.1 Leak points on an unremoved heat exchange pipe

圖2 泄漏的換熱管外壁情況Fig.2 Situation of outer wall of leaked heat exchange pipes

圖3 泄漏的換熱管內(nèi)壁情況Fig.3 Situation of inner wall of leaked heat exchange pipes

將更換下來的冷卻器放置在維修廠房內(nèi)，采用氣割方式將上部碳鋼外殼切割下來，察看內(nèi)部腐蝕情況。對比發(fā)現(xiàn)，漏點均為內(nèi)部孔蝕逐步形成的。將冷卻管漏點部位對邊刨開，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁涂層已經(jīng)局部脫落，管壁出現(xiàn)黃色和綠色的銹斑銹跡，漏點中間腐蝕嚴重，周邊腐蝕逐漸變輕。

3.2 泄漏原因分析及采取措施

冷卻器管程介質(zhì)是循環(huán)水。循環(huán)水中含有游離的氧、微量的二氧化碳和微生物，以及超高含量的氯離子等雜質(zhì)，形成腐蝕性介質(zhì)，在管壁涂層出現(xiàn)脫落或發(fā)生涂層機械損傷處發(fā)生吸氧腐蝕，使管壁穿孔，發(fā)生泄漏事故[2]。

經(jīng)過現(xiàn)場共同討論分析，具體原因有以下幾個方面。

(1)設備在制造過程中對涂層要求不嚴格，管道冷卻水側(cè)防腐涂層附著力不強，存在涂層脫落或涂層不牢固的情況，個別列管質(zhì)量存在瑕疵。設備機械加工廠的防腐工藝不專業(yè)。

采取措施：采購時，加強對冷卻器冷卻管內(nèi)涂層制造工藝的質(zhì)量跟蹤，確保設備制造過程的涂層質(zhì)量，避免涂層缺陷的形成。

(2)循環(huán)水氯離子含量超標的主要原因與地下水有關。一次地下水氯離子含量就在180～220 mg/L之間，同時氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)換熱器使用較多，個別換熱器出現(xiàn)滲漏時，鹽水、鹽酸等具有腐蝕性的介質(zhì)進入循環(huán)水系統(tǒng)，導致循環(huán)水氯離子含量超標，而同行業(yè)循環(huán)水介質(zhì)氯離子最低含量保持在10～20 mg/L。

采取措施：將循環(huán)水由一次水更換為純水，加緩蝕劑，調(diào)整pH值在7.5～9.0，使氯離子質(zhì)量濃度≤100 mg/L，減少循環(huán)水介質(zhì)對冷卻管的腐蝕。

(3)氯氣中水分含量超標。

采取措施：在一級冷卻器氯氣管線(殼程)進口與出口各增加1臺水分在線檢測儀，完善氯氣壓縮過程水分在線檢測系統(tǒng)；在日常管理中，加強氯氣壓縮機壓縮過程氯氣中水分的控制，及時發(fā)現(xiàn)異常并進行處理，避免氯氣介質(zhì)對設備殼程的腐蝕。

(4)循環(huán)水雜質(zhì)較多可能會對換熱管內(nèi)防腐涂料層產(chǎn)生沖刷而造成破壞。

采取措施：將氯氣壓縮機冷卻器循環(huán)水改建為獨立的循環(huán)系統(tǒng)，并將原來的一次水改為純水，保證循環(huán)水質(zhì)量。

(5)氯堿企業(yè)都存在氯氣壓縮機級間冷卻器泄漏情況，但一定要處理得及時徹底，在條件允許時該更換就更換，避免同一臺設備短時間因泄漏造成頻繁停車而帶來更大的損失。

采取措施：建立完善設備強制更換制度，級間冷卻器運行3年后強制更換，并常備1臺冷卻器，以便泄漏時及時切換，保證后期的安全運行。

3.3 現(xiàn)場管理改進措施

(1)DCS操作人員加強對氯氣壓縮機ORP在線監(jiān)測儀和水分在線監(jiān)測儀的監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)循環(huán)水含有游離氯或氯氣中水分含量呈上升趨勢，應立刻報警。同時在級間冷卻器回水取樣口取樣分析，當分析結(jié)果pH值<6.5時，立即向班長及值班廠長匯報情況，及時采取有效措施，做到早發(fā)現(xiàn)，早處理，避免設備事故的擴大。

(2)定期清理換熱管，利用停車檢修機會，打開冷卻器前后封頭，對換熱管進行清淤作業(yè)，同時檢查換熱管涂層腐蝕情況。

(3)在氯氣壓縮機停車期間，充入氮氣對系統(tǒng)進行置換，置換完成后，將通往氯氣除害塔的閥門關閉，保證氯氣壓縮機系統(tǒng)微正壓，防止除害塔各系統(tǒng)濕氯氣進入氯氣壓縮機系統(tǒng)。

4 級間冷卻器循環(huán)水優(yōu)化方案及優(yōu)點[3]

4.1 方案

為防范級間冷卻器內(nèi)漏而導致生產(chǎn)裝置停車，實現(xiàn)生產(chǎn)裝置長周期穩(wěn)定運行的目標，開元化工利用現(xiàn)氯氣壓縮機房西側(cè)空地，建造地下獨立封閉循環(huán)水池。將2臺循環(huán)水泵和循環(huán)水冷卻器安裝于水池混凝土的上蓋， 純水管路與管橋架上的純水管連接，冷卻水管路與現(xiàn)有冷凍水系統(tǒng)連接。循環(huán)水經(jīng)冷卻后出水管與原循環(huán)水管路連接；同時利用強制更換下來的完好冷卻器，形成一個封閉的獨立的無壓循環(huán)水系統(tǒng)。將循環(huán)水介質(zhì)由原來的地下一次水改為純水，經(jīng)過循環(huán)水泵將純水送至冷卻器，利用制冷系統(tǒng)冷卻水將循環(huán)水冷卻至15～20 ℃，達到最佳運行效果。

獨立封閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 優(yōu)化后氯氣壓縮機級間冷卻器循環(huán)水獨立封閉系統(tǒng)Fig.4 Independent and closed circulating water system for interstage coolers for chlorine compressor after optimization

4.2 優(yōu)點

依托開元化工現(xiàn)有冷凍水系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有管道和強制更換下來的氯氣壓縮機冷卻器，將7 ℃冷凍水作為循環(huán)水的冷卻水，可有效降低冷卻器循環(huán)水運行溫度，減輕循環(huán)水介質(zhì)對冷卻器冷卻管的腐蝕。同時將氯氣壓縮機級間冷卻器循環(huán)水從氯堿裝置循環(huán)水系統(tǒng)獨立出來，減少其他換熱器泄漏時污染水質(zhì)后對級間冷卻器的腐蝕影響。

獨立系統(tǒng)建成后，無論管網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)量如何波動，單獨循環(huán)水(純水)系統(tǒng)直接進入列管冷卻，不再受管網(wǎng)影響，確保生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)運行?？捎行Ь徑饣虮苊饴葰鈮嚎s機冷卻器泄漏對生產(chǎn)造成的影響，實現(xiàn)氯堿裝置長期穩(wěn)定運行。而且新增冷卻器獨立循環(huán)水池建立在地下，系統(tǒng)占地面積小，投資少，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，操作能力可控。

運行結(jié)果表明：改造后的獨立循環(huán)水系統(tǒng)能夠完全滿足各種負荷下的生產(chǎn)需要，氯氣壓縮機的各項指標均不受影響。

5 結(jié)語

級間冷卻器是保證氯氣壓縮機安全穩(wěn)定運行的重要設備，其泄漏原因復雜，泄漏現(xiàn)象比較普遍，是導致氯堿裝置非計劃停車的主要原因之一。開元化工通過全面的綜合性分析，氯氣壓縮機級間冷卻器采用獨立封閉式循環(huán)水進行冷卻，有效避免了因級間冷卻器泄漏引起的停車事故，確保了20萬t/a離子膜法燒堿生產(chǎn)裝置長期穩(wěn)定運行。