高壓甲銨冷凝器管板損壞原因分析及維護措施

石新光

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

高壓甲銨冷凝器管板損壞原因分析及維護措施

石新光

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

通過分析高壓甲銨冷凝器管板損壞的原因，總結(jié)檢修和改造經(jīng)驗，從機械和工藝兩方面提出維護措施建議，以確保高壓甲銨冷凝器穩(wěn)定運行。

高壓甲銨冷凝器；管板；損壞；原因；維護措施

中海石油化學(xué)股份有限公司二期尿素裝置采用斯塔米卡邦改進型二氧化碳汽提工藝，生產(chǎn)能力為 2700 t/a，2003 年 9月建成投產(chǎn)。該裝置投產(chǎn)后一直運行較好，投產(chǎn)14a，300d 以上超周期運行有三次，最長 366d，最高年產(chǎn)量 90.5萬 t。隨著運行時間的遞增，設(shè)備因老化、腐蝕、檢修質(zhì)量等原因，逐漸出現(xiàn)一些故障，影響了裝置的長周期運行。其中高壓甲銨冷凝器管板經(jīng)過嚴重的沖刷腐蝕在2016年3月26日發(fā)生泄漏，經(jīng)專利商 Stamicarbon 公司“挖空 -三維掃描管板對焊層 -數(shù)控加工鋼板 -找平、貼補層板”的修復(fù)方案，歷時105d 的連續(xù)搶修，完成了管板臨時性修復(fù)。

1 設(shè)備簡介及用途

高壓甲銨冷凝器（位號 ：303C）是二期尿素裝置四大核心高壓設(shè)備之一（圖1）。該設(shè)備為液相浸沒式 U 型管的換熱器，列管采用特殊的“內(nèi)孔焊”技術(shù)。來自二氧化碳汽提塔302C的氣相通過一個等長的噴射器使氣相均勻分布在液相中，與來自高壓氨泵304J的氨和高壓甲銨洗滌器304C 的甲銨液在高壓甲銨冷凝器303C 中反應(yīng)。高壓甲銨冷凝器工藝介質(zhì)走殼側(cè)，鍋爐給水循環(huán)水泵 321J/JA 打來的蒸汽冷凝液走管側(cè)，移走工藝側(cè)的氣相冷凝以及甲銨生成反應(yīng)所放出的熱量，使部分的蒸汽冷凝液形成低壓蒸汽來供應(yīng)尿素裝置所需。

圖1 高壓甲銨冷凝器303C流程簡圖

U 型管束連接到管板的內(nèi)側(cè)，采用內(nèi)孔焊焊接技術(shù)。圓筒殼體采用多層板技術(shù)，殼體與球型封頭均內(nèi)襯 8mm 厚 25-22-2 不銹鋼襯里。其設(shè)備性能參數(shù)和運行參數(shù)見表 1、表2。

表1 高壓甲銨冷凝器（303C）設(shè)備性能參數(shù)表

表2 高壓甲銨冷凝器（303C）的運行參數(shù)

2 高壓甲銨冷凝器（303C）發(fā)生泄漏經(jīng)過

2016年 3 月 26日 2 ：00，二期尿素裝置蒸汽冷凝液四塊電導(dǎo)儀 ：AI3131、AI3212、AI3206、AI3132 指示同步出現(xiàn)上漲，當(dāng)班班組進行系統(tǒng)調(diào)整和檢查沒有結(jié)果，初步判斷為系統(tǒng)有內(nèi)漏發(fā)生。部門立即組織各級人員對尿素裝置蒸汽系統(tǒng)、冷凝液系統(tǒng)、相關(guān)設(shè)備、吹掃蒸汽、夾套、疏水器、沖洗水、N/C 分析儀等進行全面排查 ；同時大幅降低高壓系統(tǒng)負荷，蒸汽冷凝液進行就地排放，經(jīng)應(yīng)急處置3月26日24 ：00電導(dǎo)穩(wěn)下來了 ：312D 液相電導(dǎo) AI3206 31.47μS/cm，外送冷凝液電導(dǎo) AI3212 89.48μS/cm，透平冷凝液電導(dǎo) AI3132 96.06μS/ cm，而高壓汽包319D 和中壓汽包320D 冷凝液電導(dǎo)沒發(fā)生明顯變化。見蒸汽冷凝液系統(tǒng)圖2。

3月27日對尿素各等級蒸汽進行取樣對比，發(fā)現(xiàn)312D 氣相冷凝液電導(dǎo)最高為 212μS/cm，氨含量 99.1mg/L，液相電導(dǎo)穩(wěn)定在30～35μS/cm，初步判斷為303C 內(nèi)部泄漏。隨后逐一斷開各換熱器冷凝液管線進行取樣分析，3月30日上午將系統(tǒng)蒸汽冷凝液進入蒸汽冷凝液槽303F總管斷開，改為就地排放（系統(tǒng)污染蒸汽冷凝液全部就地排放），312D補水為新鮮脫鹽水。312D頂部出汽電導(dǎo)值平均在227μS/cm、氨含量平均在116mg/L，液相電導(dǎo)平均在35μS/cm、尿素含量平均在3.791mg/L，最終確定為303C發(fā)生了內(nèi)漏。

圖2 蒸汽冷凝液系統(tǒng)流程圖

4 月 1 日公司與 303C 專利商 Stamicarbon 進行首次視頻交流，專利商認為303C 泄漏可能性極小，要求繼續(xù)排查，即使泄漏，最大的可能也是“內(nèi)孔焊”焊縫部位的微漏，蒸汽及冷凝液會帶走工藝介質(zhì)，短時間不會造成設(shè)備損壞，最終于4月7日二期尿素停車檢修。4月9日經(jīng)內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)高壓甲銨冷凝器303C 出現(xiàn)如下?lián)p壞 ：

1）蒸汽側(cè)出口碳鋼管板大面積空穴、穿孔，穿孔區(qū)域位于接近堆焊層的碳鋼管板，沿管孔方向130mm（碳鋼管板設(shè)計厚度400mm）（圖3）；

2）出口管板管孔孔徑變大。經(jīng)測量上部管板（蒸汽出口側(cè)）孔內(nèi)徑最大27mm，最小22mm。相對于原設(shè)計19mm，孔徑變大，管板強度降低；

3）上部管板堆焊層變形。因管板碳鋼部分形成孔洞失去承壓作用，致使12mm 厚的不銹鋼堆焊層受壓變形，最大變形尺寸達到40mm ；

4）從殼側(cè)進入管箱發(fā)現(xiàn)上部列管、管束拉桿、堆焊層管板變形，管束異常移位（圖4）。

圖3 碳鋼板穿孔管孔內(nèi)部聯(lián)通

圖4 管束移位圖

3 管板報廢性損壞發(fā)生的原因分析

1）Stamicarbon 在設(shè)計時沒有充分考慮到流速及氣液兩相流的沖刷嚴重性（化八院核算流速為 48m/s，安全邊際應(yīng)低于30m/s。），這是造成沖刷腐蝕的主要原因。

2）Stamicarbon 沒有要求在工藝上要求低壓汽包 312D 蒸汽冷凝液的溶解氧和 pH 值指標，2016年4月份303C 發(fā)生故障后，專利商才提出要求在尿素裝置監(jiān)控冷凝液溶解氧和pH值。

3）專利商 Stamicarbon 對 400mm 厚的管板材質(zhì)沒有明確要求，致使制造商 SBN 在該設(shè)備上使用了耐沖刷性能較差的20Mn5V 碳鋼材料。

4）換熱管與管板的對接焊位置有明顯凸出管壁內(nèi)表面的焊縫接頭存在，這會在其下游（即碳鋼與堆焊層界面附近）留下明顯的空蝕隱患。

5）管板列管內(nèi)的侵蝕產(chǎn)物（圖5）和長期沖刷形成的魚鱗狀沖刷蝕坑（圖6）都加劇了管板列管中蒸汽冷凝液和蒸汽的湍流程度，加劇了沖刷腐蝕。

圖5 堆積狀侵蝕產(chǎn)物

圖6 魚鱗狀沖刷坑蝕

當(dāng)碳鋼層內(nèi)部管壁逐漸減薄至穿孔時，其強度持續(xù)下降，由于殼程-管程間存在巨大的壓差，導(dǎo)致與高壓相接觸的堆焊層不斷變形并向已掏空的碳鋼側(cè)凸起，但是由于拉筋的存在（用于在殼程固定管束），致使邊緣的拉筋位置處無法同步變形，因此在拉筋位置的下方管橋處造成了局部應(yīng)力過高，最終導(dǎo)致管束移位，堆焊層變形、產(chǎn)生裂紋（圖7），303C 高壓甲胺液漏入冷凝液系統(tǒng)，引起監(jiān)控電導(dǎo)的異常上升。

圖7 著色后管板裂紋

4 高壓甲銨冷凝器的修復(fù)及技改措施

由于管板損壞嚴重，在同類設(shè)備中尚未首例，公司委托專利商 Stamicarbon 確定了管板切除后，挖空損壞的管板，機床沖銑找平后并三維掃描挖空管板處，用3D打印技術(shù)制作層板，然后層板疊加焊接和脹管的修復(fù)方案進行修復(fù)，由生產(chǎn)商 SBN 和外圍檢修單位，歷時105d 的連續(xù)搶修，完成了管板的臨時性修復(fù)。由于高壓甲銨冷凝器上管板沒有嚴重的沖刷腐蝕，決定原來的下管板進水改為上管板進水，并將低壓汽包的氣相和液相都增加了在線電導(dǎo)分析，來檢測高壓甲銨冷凝器的運行情況（見圖8）。

圖8 高壓甲銨冷凝器修復(fù)后的工藝流程簡圖

5 修復(fù)后的維護措施

為了最大限度地保護303C 的運行安全，從機械和工藝方面考慮制定了以下維護措施：

5.1 開車時

（1）為了使303C 堆焊層殼側(cè)內(nèi)表面持續(xù)承壓，不向高壓側(cè)凸起變形，只要運轉(zhuǎn) 321J/JA 泵，就必須確保高壓系統(tǒng)壓力不低于0.4MPa。

（2）任何工況下要確保303C 壓力大于312D 壓力。

（3）冷態(tài)運轉(zhuǎn)控制312D 蒸汽冷凝液循環(huán)量 FI3210指示在353t/h，當(dāng) 303C 開始副產(chǎn)蒸汽時，根據(jù)產(chǎn)汽量，按氣液比 0.33進行調(diào)節(jié)鍋爐給水泵的循環(huán)量。

（4）312D 汽包升溫、升壓要緩慢，杜絕出現(xiàn)水擊 ；嚴格控制303C、312D 升溫速率小于20℃ /h。

（5）高壓系統(tǒng)投料時、為了防止高壓系統(tǒng)壓力上升過快，以50% 或更低的負荷投料，確保高壓系統(tǒng)壓力緩慢上升，按3～4h達到13.0MPa來操作，負荷的調(diào)整以壓力上升速度為基準。

5.2 正常生產(chǎn)中

（1）任何時候，高壓系統(tǒng)壓力控制要求低于14.0MPa 操作，杜絕超壓運行，如果出現(xiàn)壓力失控，第一時間封塔；

（2）確保高壓系統(tǒng)壓力不大幅度波動，系統(tǒng)加減負荷必須緩慢，原則上在受控狀態(tài)下，加減負荷幅度為每小時不超過10% ；

（3）嚴密監(jiān)控好312D 頂部蒸汽電導(dǎo) AI3026A，出現(xiàn)上漲時要第一時間向部門匯報；

（4）根據(jù) Stamicarbon 的報告，控制好在線表 312D 蒸汽冷凝液 pH ≥ 9.0，溶解氧含量（0～200）×10-6；

（5）中化溶解氧和 Fe3+分析暫定每天白班分析1次，冷凝液中 Cr、Ni、的分析暫定每周分析1 次。

5.3 停車后

（1）封塔停車時，要控制好高壓系統(tǒng)壓力不能下降過快；（2）如果必須排塔，嚴格控制排塔速率≤ 2.0MPa/h ；

（3）系統(tǒng)降壓至0.6MPa 時，將中壓蒸汽送入高壓系統(tǒng)進行鈍化，確保303C 壓力大于312D 壓力。

6 結(jié)束語

高壓甲銨冷凝器作為尿素裝置四大高壓設(shè)備之一，其修復(fù)后的管板力學(xué)性能和安全系數(shù)會有所降低，操作上一定要精心維護，避免高壓系統(tǒng)負荷和壓力大幅度波動，要加強對低壓汽包氣液相電導(dǎo)的關(guān)注，當(dāng)?shù)蛪浩鼩庖合嚯妼?dǎo)上漲后，要及時匯報并采取系統(tǒng)緊急停車，避免事故進一步惡化。

Analysis on the Damage Causes of HP Ammonium Carbamate Condenser Tube Sheet and Mmaintenance Measures

Shi Xin-guang

Analyzes the cause of damage of tube plate of HP ammonium condenser tube sheet，summarizes the experience of overhaul and reconstruction，and puts forward some suggestions for maintenance measures from two aspects of machinery and process，so as to ensure the stable operation of HP ammonium carbamate condenser.

HP ammonium condenser；tube sheet；damage ；analysis ；maintenance measure

TQ113.251.5

：A

：1003–6490（2017）07–0006–03

2017–05–15

石新光（1980—），男，河北邯鄲人，助理工程師，主要從事化工操作工作。