無水氫氟酸生產(chǎn)中換熱設(shè)備的故障分析和防范措施

賀志榮 韓擁軍 詹小軍

（多氟多化工股份有限公司）

化機(jī)制造

無水氫氟酸生產(chǎn)中換熱設(shè)備的故障分析和防范措施

賀志榮*韓擁軍 詹小軍

（多氟多化工股份有限公司）

主要介紹無水氫氟酸生產(chǎn)中換熱器發(fā)生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施。

換熱器 故障分析 防范措施 焊縫 表面缺陷 腐蝕

0 前言

無水氫氟酸生產(chǎn)系統(tǒng)中的換熱設(shè)備按換熱介質(zhì)的不同可分為三類。第一類是用冷凍水冷卻的，相應(yīng)的設(shè)備有一冷、二冷以及精餾和脫氣塔的冷凝器；第二類是用循環(huán)水冷卻的，相應(yīng)的設(shè)備有初冷（水冷）器；第三類是用熱水加熱的，相應(yīng)的設(shè)備有脫氣塔再沸器和精餾塔再沸器。下面將這三類換熱設(shè)備的故障分析和防范措施作分類敘述。

1 初冷（水冷）器

1.1 故障表現(xiàn)

該類設(shè)備的絕大多數(shù)故障為進(jìn)氣端管板與換熱管之間的焊縫處發(fā)生泄漏，在多氟多化工股份有限公司發(fā)生的故障中無一例外。

1.2 故障分析

在無水氫氟酸生產(chǎn)系統(tǒng)中，該類換熱設(shè)備是最先接觸介質(zhì)的換熱設(shè)備，也是故障最多的換熱設(shè)備。究其故障原因，主要是原料螢石中含有一定的雜質(zhì)，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氟化氫氣體時(shí)也同時(shí)生成了一定量的水分，雖經(jīng)預(yù)洗滌和預(yù)凈化處理除去了大部分水分，但進(jìn)入初冷器時(shí)氟化氫氣體仍有微量水分存在 （800×10-6m3/m3左右）。這些微量水分與氟化氫氣體結(jié)合形成微量的氫氟酸，從而導(dǎo)致設(shè)備入口處管板與換熱管之間的焊縫腐蝕。如果在生產(chǎn)操作中沒有較好地控制而使氟化氫氣體中的水分含量增加的話，則腐蝕將會(huì)加劇。這是故障產(chǎn)生的原因之一。

產(chǎn)生故障的另一個(gè)原因，就是溫度越高無水氫氟酸對金屬的腐蝕速率就越快。根據(jù)原化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院主編的《腐蝕與防護(hù)手冊——化工生產(chǎn)裝置的腐蝕與防護(hù)》[1]一書介紹，碳鋼在常溫的無水氫氟酸中是耐蝕的。但碳鋼的耐蝕是相對的，在各種溫度下無水氫氟酸仍會(huì)對其產(chǎn)生一定的腐蝕作用，腐蝕速率與溫度的關(guān)系見表1。

表1 不同溫度下碳鋼在無水氫氟酸中的腐蝕速率

由表1可見，進(jìn)入初冷器的氟化氫氣體溫度在40℃以下時(shí)，其對金屬的腐蝕速率較低。

該換熱設(shè)備的泄漏故障與腐蝕問題密切相關(guān)。任何焊接工藝在焊縫內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生一定的焊接缺陷，如氣孔、夾渣等，只是缺陷程度有所差別而已。即使按射線探傷一級標(biāo)準(zhǔn)，也允許每張片子中有一個(gè)微氣孔存在。正是由于焊縫中有微氣孔存在，所以當(dāng)該類換熱設(shè)備使用一段時(shí)間后，焊縫表面就會(huì)被腐蝕 （溫度越高，腐蝕就越快）。因這種腐蝕是均勻的、緩慢的，所以對設(shè)備本身影響不太大。但如果微氣孔在焊縫的上部，當(dāng)焊縫表面被腐蝕后，微氣孔就會(huì)暴露，而氫氟酸有極其強(qiáng)的縫隙和孔隙腐蝕能力，這時(shí)就會(huì)很快地沿孔隙腐蝕下去，直至穿透焊縫。從使用時(shí)間較長的設(shè)備上均可發(fā)現(xiàn)，焊縫高度因腐蝕而比使用前要低許多。此外，換熱管壁厚也因腐蝕而有所變薄。

1.3 預(yù)防措施

（1）對于制造時(shí)產(chǎn)生的表面缺陷是不允許存在的。設(shè)備到貨后通過認(rèn)真檢查，可以發(fā)現(xiàn)表面缺陷，從而可杜絕因表面缺陷而引發(fā)的設(shè)備故障。

（2）對于焊縫內(nèi)部存在的微氣孔缺陷可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善。

一是改變傳統(tǒng)的全電焊焊接方法，采用氬弧焊打底加電焊罩面或全氬弧焊的方法，盡可能減少焊接缺陷。

二是焊接過程中要保證焊接坡口以及焊絲清潔和干燥，以盡量減少氣孔的產(chǎn)生。

三是實(shí)行計(jì)劃預(yù)修，在確保設(shè)備沒有表面缺陷的前提下，初冷器投入使用數(shù)月后安排打開進(jìn)氣端封頭，用拋光機(jī)全面清除焊縫上的酸泥，檢查生產(chǎn)工藝過程對焊縫的腐蝕情況。若進(jìn)入設(shè)備的介質(zhì)中水分控制得好，焊縫腐蝕緩慢，且沒有發(fā)現(xiàn)微氣孔，則可延長打開封頭檢查的周期；若此時(shí)焊縫已經(jīng)低了許多 （大于等于2 mm以上），則需要對該焊縫進(jìn)行堆焊；若發(fā)現(xiàn)微氣孔，則應(yīng)將該氣孔打磨掉，打磨趨勢盡可能平緩，打磨深度大于1.5 mm時(shí)，需要用小直徑焊條做堆焊，以保證焊縫的有效高度。

四是嚴(yán)格控制初冷器進(jìn)口的氟化氫氣體溫度（可以通過增加粗酸回流的辦法），使腐蝕速率限制在可控的范圍內(nèi)。

只要能做好以上幾方面工作，初冷器就可連續(xù)使用幾年而不會(huì)發(fā)生泄漏故障。另外，由于初冷器是立式的，若氣體入口管在封頭正中間，則氣體直接對著的上管板區(qū)域焊縫和換熱管更易被腐蝕?？煽紤]將其改為平封頭加管箱，把氣體進(jìn)口改在側(cè)面。對于北方的氫氟酸生產(chǎn)企業(yè)來說，循環(huán)水的處理是至關(guān)重要的。由于水質(zhì)中鈣鎂離子較高，很容易對設(shè)備產(chǎn)生垢蝕。這也是一個(gè)不可忽視的大問題。

2 脫氣塔再沸器和精餾塔再沸器

2.1 故障現(xiàn)象

再沸器的故障表現(xiàn)有兩種。一是換熱管內(nèi)泄漏， 泄漏部位如圖1所示。二是管板上表面焊縫泄漏，且表面出現(xiàn)大量的微孔。

圖1 換熱管內(nèi)泄漏部位

2.2 故障原因

上述兩種故障均為無水氫氟酸界面腐蝕所造成的典型故障。

2.3 防范措施

在確保設(shè)備制造沒有表面缺陷的前提下，合理控制無水氫氟酸的液位 （液位高度控制在上管板之上50～200 mm范圍內(nèi)）是防范的關(guān)鍵措施，讓界面腐蝕僅發(fā)生在上封頭的部位，同時(shí)液面高度不宜恒定。這樣再沸器就只是受到無水氫氟酸的腐蝕（腐蝕速率為0.35～0.68 mm/a），從而可保持碳鋼材質(zhì)換熱段無故障時(shí)間在2年以上。

為了延長再沸器的使用壽命，可以考慮增大熱水循環(huán)量，從而降低熱水溫度，達(dá)到最終降低腐蝕速率的目的。

3 結(jié)語

本文主要介紹無水氫氟酸生產(chǎn)中換熱器發(fā)生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施?？傊?，要讓無水氫氟酸生產(chǎn)裝置能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行，其設(shè)備的制造質(zhì)量，尤其是管板和列管的焊接質(zhì)量是重要的基本保障。有效地降低無水氫氟酸在這些設(shè)備中的溫度是控制腐蝕速率的關(guān)鍵。此外，還要做好預(yù)防性檢修。

[1]化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院.腐蝕與防護(hù)手冊——化工生產(chǎn)裝置的腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

國產(chǎn)新型PDA球閥開發(fā)成功

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Failure Analysis and Preventive Measures of the Heat Exchange Equipment in Anhydrous Hydrofluoric Acid Production

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10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.016

2016-12-12）

*賀志榮，男，1954年生，工程師。焦作市，454191。