80萬t/a尿素裝置一段蒸發(fā)加熱器泄漏原因分析及優(yōu)化改進(jìn)

張道福，宮 蕾，尹 聰，劉桂芳，于田田，張道峰

(瑞星集團(tuán)股份有限公司，山東東平 271509)

一段蒸發(fā)加熱器是CO2汽提尿素生產(chǎn)裝置(簡稱尿素裝置)蒸發(fā)工段的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備的運行狀況直接影響尿素裝置的經(jīng)濟(jì)運行。筆者針對瑞星集團(tuán)股份有限公司80萬t/a尿素裝置中的一段蒸發(fā)加熱器曾發(fā)生的蒸汽進(jìn)口部位換熱管大面積泄漏問題，分析泄漏原因，并提出優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 設(shè)備概況

瑞星集團(tuán)股份有限公司80萬t/a尿素裝置中現(xiàn)有一段蒸發(fā)加熱器1臺，結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中N2為蒸汽進(jìn)口，公稱直徑為DN500，蒸汽來自系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)；N3為冷凝液出口；N4接一段蒸發(fā)分離器，大法蘭以上部分整體插入一段蒸發(fā)分離器；N5為冷凝液進(jìn)口，冷凝液來自二段蒸發(fā)加熱器出口；N6為蒸汽進(jìn)口，公稱直徑為DN100；N7為排氣口，公稱直徑為DN25。該一段蒸發(fā)加熱器換熱管總數(shù)為2 346根，換熱面積為1 010 m2，由江蘇某公司制造，于2013年9月底投用。2018年8月停車檢修時發(fā)現(xiàn)列管泄漏，對泄漏嚴(yán)重的換熱管進(jìn)行了焊堵處理，共計172根；2019年7月28日檢修時又對泄漏的30根換熱管進(jìn)行了焊堵。

圖1 一段蒸發(fā)加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2 泄漏原因分析

蒸汽進(jìn)口和冷凝液進(jìn)口在一個方向上呈上下布置。通過檢修時的現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)泄漏的換熱管大部分位于蒸汽進(jìn)口和冷凝液進(jìn)口一側(cè)，而原設(shè)備圖紙在蒸汽進(jìn)口和冷凝液進(jìn)口位置并未設(shè)置防沖板；因此判斷換熱管的泄漏主要是由于蒸汽和冷凝液的長期沖蝕。沖蝕是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊，材料表面出現(xiàn)破壞的一種磨損現(xiàn)象；流動粒子可以是固體、液滴或氣泡[1]。由于該設(shè)備使用的蒸汽為飽和蒸汽，壓力不足0.4 MPa，蒸汽溫度約為145 ℃。飽和氣體在降溫或者加壓過程中，一部分可凝氣體組分會形成小液滴隨氣體一起流動；來自系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)的飽和蒸汽在輸送過程中，由于熱量損失，勢必會出現(xiàn)溫度下降[2]，導(dǎo)致出現(xiàn)冷凝液滴。蒸汽中夾帶的冷凝液滴將會持續(xù)直接沖刷換熱管管壁。

為充分分析沖刷帶來的危害程度，有必要對介質(zhì)進(jìn)口流速進(jìn)行計算。因為該一段蒸發(fā)加熱器蒸汽進(jìn)口管道沒有加設(shè)單獨的流量計，所以無法直接獲取其蒸汽用量；但從尿素裝置工藝設(shè)計相關(guān)文件中可獲得該一段蒸發(fā)加熱器介質(zhì)進(jìn)口相關(guān)工藝數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 一段蒸發(fā)加熱器介質(zhì)進(jìn)口相關(guān)工藝數(shù)據(jù)

由表1可知該一段蒸發(fā)加熱器進(jìn)口蒸汽體積流量為22 613 m3/h，即6.281 m3/s。蒸汽進(jìn)口管直徑為530 mm、壁厚為10 mm、截面積A1=0.204 282 m2,故理論上蒸汽的流速V1=30.67 m/s。

進(jìn)入二段蒸發(fā)加熱器的中壓蒸汽冷凝后經(jīng)冷凝液進(jìn)口進(jìn)入一段蒸發(fā)加熱器，理論上進(jìn)入一段蒸發(fā)加熱器的冷凝液質(zhì)量流量為7 426 kg/h，則冷凝液體積流量為7.426 m3/h，即2.063×10-3m3/s，冷凝液進(jìn)口管直徑為89 mm、壁厚為4.5 mm、截面積A2=5.02×10-3m2,故冷凝液進(jìn)口理論流速V2=0.41 m/s。

由于該一段蒸發(fā)加熱器蒸汽進(jìn)口和冷凝液進(jìn)口都沒有加設(shè)防沖板，因此流速大于30 m/s的飽和蒸汽夾帶著部分冷凝液滴持續(xù)沖刷靠近蒸汽進(jìn)口側(cè)的換熱管管壁，下部靠近冷凝液進(jìn)口處的換熱管還受到冷凝液的直接沖刷。換熱管壁厚僅有2 mm，在生產(chǎn)過程中每時每刻同時受到二者的高速持續(xù)沖刷，在沒有防沖刷措施的情況下必然會發(fā)生大面積泄漏。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

針對具有腐蝕性或磨蝕性的氣體、蒸汽及氣液混合物，應(yīng)在一段蒸發(fā)加熱器上設(shè)置防沖板[3]。為防止殼程物料進(jìn)口處流體對換熱管表面的直接沖刷，應(yīng)在殼程進(jìn)口管(蒸汽進(jìn)口N2管口和冷凝液進(jìn)口N5管口)處設(shè)置防沖板[4]。由于冷凝液進(jìn)口N5管徑較小，所以加設(shè)防沖板不存在任何問題。但是蒸汽進(jìn)口N2管徑為530 mm，在加設(shè)防沖板前應(yīng)先計算流通面積。

如果在原布管基礎(chǔ)上不進(jìn)行任何處理直接加設(shè)防沖板(見圖2)，則加設(shè)防沖板后防沖板與設(shè)備內(nèi)壁之間周向環(huán)隙的流通面積As1為：

圖2 加設(shè)防沖擋板后示意圖

As1=πDi(h1+h2)/2

(1)

式中：Di為蒸汽進(jìn)口N2管內(nèi)徑；h1為加設(shè)防沖板后防沖板與設(shè)備殼體內(nèi)壁的最小距離;h2為防沖板與設(shè)備殼體內(nèi)壁的最大距離。根據(jù)原布管尺寸，h1=70 mm、h2=110 mm，代入式(1)可得As1=0.144 m2。

原蒸汽進(jìn)口N2管流通面積為0.204 282 m2，直接加設(shè)防沖板后流通面積僅為原流通面積的70.49%。因為輸送的蒸汽量未發(fā)生變化，所以蒸汽流動在此處加速，理論上大約變?yōu)樵瓉淼?.42倍，達(dá)到約43.55 m/s。由于蒸汽流速提速40%以上，容易誘發(fā)管束的振動并加劇換熱管的沖刷和磨損，顯然不利于換熱管的長周期運行。因此還要考慮在基本不減少流通面積的基礎(chǔ)上加設(shè)防沖板。

如果將靠近蒸汽進(jìn)口的一排換熱管去掉，則h1和h2各增加27.7 mm，由式(1)計算得出防沖板與設(shè)備內(nèi)壁之間周向環(huán)隙的流通面積As1=0.188 m2,流通面積能夠達(dá)到原流通面積的92.03%，理論上蒸汽流速大約變?yōu)樵瓉淼?.087倍，達(dá)到約33.34 m/s，流速增長幅度較小。

而去除最外側(cè)一排換熱管后，換熱管數(shù)量減少24根，設(shè)備換熱面積由1 010 m2降低為1 000 m2，降低幅度約1%，對整臺設(shè)備的換熱產(chǎn)生的影響可以忽略不計。

目前，該一段蒸發(fā)換熱器已按修改后的布孔方式制作完畢并投運，徹底避免了因沖蝕導(dǎo)致大面積泄漏問題的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過對一段蒸發(fā)換熱器換熱管泄漏原因的分析可知：蒸汽和冷凝液的長期沖蝕導(dǎo)致?lián)Q熱管表面出現(xiàn)破壞，引起泄漏，有必要在換熱器進(jìn)口設(shè)置防沖板。該改造措施可為同類企業(yè)在換熱器設(shè)計、制造方面提供參考。