池式冷凝器管板孔的沖刷腐蝕分析及處理

王錫海， 朱 斌， 富雅美

(重慶建峰化工股份有限公司 重慶 408601)

0 前言

重慶建峰化工股份有限公司(以下簡稱重慶建峰化工公司)第二套大化肥裝置中的池式冷凝器是荷蘭斯塔米卡邦公司(Stamicarbon)CO2汽提法尿素工藝的關(guān)鍵設(shè)備，也是Stamicarbon與奧地利肖埃勒-布萊克曼容器制造公司(Schoeller-Bleckmann Nooter)合作開發(fā)的專利設(shè)備，其在Stamicarbon前期的尿素工藝中承擔(dān)NH3與CO2的第一次尿素合成，見圖1。在Stamicarbon優(yōu)化工藝后，取消了尿素合成塔，將合成塔與池式冷凝器整合成池式反應(yīng)器，成功應(yīng)用在孟加拉國沙迦拉化肥廠。池式反應(yīng)器與池式冷凝器結(jié)構(gòu)大同小異，但增大了反應(yīng)空間，節(jié)省了項(xiàng)目投資。

尿素合成的簡要流程：來自合成氨裝置脫碳系統(tǒng)的CO2經(jīng)CO2壓縮機(jī)升壓后，從汽提塔底部進(jìn)入，將尿素溶液中多余的氨、甲銨、水等汽提出進(jìn)入池式冷凝器；來自合成氨裝置的液氨經(jīng)高壓氨泵升壓后，通過甲銨噴射器驅(qū)動(dòng)來自洗滌塔的甲銨，混合后進(jìn)入池式冷凝器；兩股流體在池式冷凝器中充分混合并發(fā)生尿素合成反應(yīng)；從池式冷凝器出來的含有尿素、甲銨、過量的氨以及CO2的物料分兩股流體引入尿素合成塔進(jìn)行尿素的再次合成，得到的尿素溶液通過合成塔溢流管進(jìn)入汽提塔，被CO2汽提后進(jìn)入低壓系統(tǒng)進(jìn)一步濃縮和凈化；從尿素合成塔頂部出來的未反應(yīng)的氨和CO2流入高壓洗滌塔冷凝回收。

為了提高CO2轉(zhuǎn)化率，形成較大的反應(yīng)和物料均勻混合空間，在選擇池式冷凝器工藝路徑時(shí)，確定了工藝流體走池式冷凝器的殼程、冷凝液及產(chǎn)生的蒸汽走管程的物料布局，見圖2。

尿素合成的特點(diǎn)是首先生成不穩(wěn)定的甲銨，甲銨脫水后生成尿素。不論是第一次尿素合成還是第二次尿素合成，流體中都存在大量的甲銨，而甲銨具有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別是高溫高壓下的腐蝕性更強(qiáng)。雖然Stamicarbon在進(jìn)行高壓系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，與尿液接觸的設(shè)備、管道選用了耐腐蝕的Safurex材料，但尿素高壓設(shè)備、管道在運(yùn)行中依然避免不了甲銨的腐蝕，特別是介質(zhì)高速流動(dòng)帶來的沖刷腐蝕，很多裝置的汽提塔分布管由于管頭腐蝕已進(jìn)行了部分或全部更換。

此外，池式冷凝器特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置，使管側(cè)蒸汽不斷沖刷腐蝕管板，造成了管板的不可逆損害，給設(shè)備自身的安全帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)，威脅著裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。近幾年，隨著國內(nèi)外Stamicarbon尿素2000plusTM工藝裝置的相繼投產(chǎn)，一個(gè)共性問題即池式冷凝器管板受到蒸汽沖刷腐蝕的破壞越來越嚴(yán)重被暴露出來[1]。

1 池式冷凝器管板的特點(diǎn)

重慶建峰化工公司尿素裝置中的池式冷凝器為U形管換熱器，殼側(cè)為高壓側(cè)，用于進(jìn)行尿素合成，筒體強(qiáng)度層材料為碳鋼，內(nèi)襯Safurex超級雙相不銹鋼；管側(cè)為低壓側(cè)，主要利用尿素合成產(chǎn)生的熱量將蒸汽冷凝液轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽，管側(cè)筒體材料為碳鋼，換熱管材料為Safurex超級雙相不銹鋼；管板設(shè)計(jì)為碳鋼材料，與尿液介質(zhì)接觸的一側(cè)堆焊了Safurex超級雙相不銹鋼[2]。池式冷凝器管板的最大特點(diǎn)是管板與列管的連接采用深孔焊專利技術(shù)，列管不穿透管板，見圖3。而常規(guī)管板式換熱器，不論是強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接還是脹焊并用，列管都穿透管板，見圖4。

由圖4可知，常規(guī)管板式換熱器運(yùn)行時(shí)管程介質(zhì)不與管板孔接觸，而深孔焊管板換熱器則相反，運(yùn)行時(shí)管程介質(zhì)直接與管板孔接觸。

2 管板孔的運(yùn)行現(xiàn)狀

管板孔因?yàn)榕c介質(zhì)直接接觸，設(shè)備處于長期的沖刷腐蝕中，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，采用Stamicarbon尿素工藝的池式冷凝器管板孔變形、剝離、擴(kuò)大越來越明顯，有的設(shè)備已開始報(bào)廢，有的正處于加速腐蝕階段，給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的隱患。

2016年3月，某廠池式冷凝器蒸汽冷凝液電導(dǎo)超標(biāo)，分析后判定為池式冷凝器泄漏。對設(shè)備管側(cè)和殼側(cè)進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，管側(cè)碳鋼管板“管橋”出現(xiàn)貫穿性空穴，見圖5；殼側(cè)管束拉桿、堆焊層出現(xiàn)管板變形，管束發(fā)生異常移位，見圖6。

沖刷腐蝕使管板孔遭受不可逆破壞，失去修復(fù)價(jià)值，直接后果是整臺設(shè)備報(bào)廢。

鑒于Stamicarbon尿素裝置相同的工藝條件，2016年6月，重慶建峰化工公司利用消缺機(jī)會，對池式冷凝器E205的管板孔徑進(jìn)行了自查，發(fā)現(xiàn)管板蒸汽出口管孔已有沖刷腐蝕擴(kuò)大現(xiàn)象，靠近Safurex堆焊層的孔徑最大，隨蒸汽流動(dòng)方向成倒喇叭形(見圖7)，最大孔孔徑比標(biāo)準(zhǔn)孔孔徑(Φ20.5 mm)大0.7 mm，有較大部分的孔徑比標(biāo)準(zhǔn)孔徑大0.2 mm左右。

2018年1月裝置大修，專業(yè)公司對池式冷凝器進(jìn)行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管板孔沖刷腐蝕有加速擴(kuò)大的趨勢，特別是蒸汽出口側(cè)的管板孔徑變化明顯[3]。短短一年半時(shí)間，管板孔出現(xiàn)了更深程度的沖刷腐蝕，蒸汽出口端管板最小孔徑為Φ21.2 mm，最大孔徑為Φ23.4 mm，平均直徑為Φ22.46 mm，孔徑為Φ23.1～23.4 mm的管板孔占比3.09%；冷凝液進(jìn)口端管板最小孔徑為Φ21.3 mm，最大孔徑為Φ23.0 mm，平均直徑為Φ22.04 mm，孔徑為Φ22.5～23.0 mm的管板孔占比2.82%。與國內(nèi)其他同類型廠家交流后得知，池式冷凝器管板孔的沖刷腐蝕現(xiàn)象普遍存在。

3 管板孔變形剝離擴(kuò)大原因

池式冷凝器管板孔變形剝離擴(kuò)大最直接的原因是蒸汽流動(dòng)長期的物理沖刷作用，特別是在深孔焊接處，由于焊縫肉內(nèi)凹，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生二次回流，加速了物理沖刷影響；同時(shí)在管板堆焊層，由于熱應(yīng)力影響，碳鋼組織晶粒變大，與堆焊的奧氏體不銹鋼形成了較大的電位差，產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步加速了此處管板的腐蝕。設(shè)計(jì)、選材、運(yùn)行工況等因素也有影響，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)或消除，但流體沖刷和電化學(xué)腐蝕的影響始終存在，設(shè)備的使用壽命取決于流體沖刷腐蝕的速率[4]。

4 管板缺陷處理

針對池式冷凝器管板孔的變形剝離擴(kuò)大，通過與Stamicarbon和國內(nèi)專業(yè)廠家溝通，結(jié)合技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)合理性，重慶建峰化工公司決定對池式冷凝器管板孔增加保護(hù)套改造。

改造方案：①套管貫穿管板到堆焊層，但必須距深孔焊縫位置8～10 mm，避免傷及深孔焊縫，見圖8；②套管與堆焊層脹接貼合，脹接時(shí)脹頭的軸向位置不能偏移太大，避免傷及深孔焊縫；③由于受流體反向沖力，套管必須軸向定位，可通過管頭點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)。套管安裝示意見圖9。

2019年1月，重慶建峰化工公司第二套大化肥裝置進(jìn)行大修，同時(shí)對池式冷凝器蒸汽出口側(cè)2 200只管板孔進(jìn)行了加2205雙相不銹鋼套管的改造(見圖10)，改造的目的是避免設(shè)備運(yùn)行時(shí)蒸汽對管板孔的直接沖刷腐蝕，延長設(shè)備的使用壽命，減小設(shè)備突發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

經(jīng)過近一年時(shí)間的運(yùn)行，從運(yùn)行工藝參數(shù)看，管板孔改造對工藝參數(shù)的影響非常小。2019年12月裝置大修，對管板孔加套管改造進(jìn)行了設(shè)備內(nèi)部檢查，總體情況如下：

(1)從外觀看，所有套管無松動(dòng)、脫落，管頭焊點(diǎn)牢固結(jié)實(shí)、無腐蝕。

(2)從拔出的套管情況看，無變形、腐蝕現(xiàn)象。

(3)從內(nèi)窺觀察、實(shí)測腐蝕孔洞數(shù)據(jù)看，管板孔無擴(kuò)大增生。

結(jié)果表明池式冷凝器管板孔加套管的改造是成功的，達(dá)到了修復(fù)改造的目的，是解決大化肥裝置沖刷腐蝕問題的一種有效手段。更深的意義在于根據(jù)工藝運(yùn)行狀況，提前謀劃設(shè)備的自身安全措施，如在設(shè)備制造時(shí)，主動(dòng)考慮加雙相鋼套管或雙相鋼復(fù)合層等，必將大大延長設(shè)備的使用壽命。