尿素氨汽提塔新材料運(yùn)用與技術(shù)改進(jìn)

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

九十年代后，國(guó)內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)了多套斯納姆氨汽提尿素工藝。該工藝腐蝕最嚴(yán)重的部位就是氨汽提塔的換熱管[1-3]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，斯納姆公司最早采用的材質(zhì)為不銹鋼(奧氏體或者奧氏體-鐵素體) 的換熱管。之后分別在1996年、1991年、2008年先后推出了換熱器為鈦材、雙金屬管(管內(nèi)側(cè)為鋯，外側(cè)為不銹鋼)、鈦襯鋯及鋯材等汽提塔。其中，鈦襯鋯材質(zhì)也稱為“歐米加棒”型汽提塔，是斯納姆與美國(guó)WAH-CHANG公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的復(fù)合型材料。由此可以看出，隨著材質(zhì)的不斷升級(jí)改造，氨汽提塔的抗腐蝕能力逐步提高。

海洋石油富島有限公司(以下簡(jiǎn)稱“富島”)化肥一部于1996年10月投產(chǎn)的52萬(wàn)t/a尿素裝置采用的斯納姆氨汽提工藝，裝置中汽提塔(E101)為直立管殼式換熱器，第一臺(tái)汽提塔采用的是鈦材質(zhì)的換熱管，換熱管頂部安裝有外插結(jié)構(gòu)的分布管，設(shè)備呈垂直布置。按照斯納姆公司提供的設(shè)計(jì)思路，該設(shè)備在使用到8～10年時(shí)，可以調(diào)頭換向使用，以保證設(shè)備達(dá)到15年以上的設(shè)計(jì)使用壽命。富島公司第一臺(tái)鈦材質(zhì)汽提塔投產(chǎn)2年后于1998年開(kāi)始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，2004年設(shè)備調(diào)頭繼續(xù)使用，仍不斷出現(xiàn)堵頭、腐蝕狀況。

1 舊汽提塔主要存在的問(wèn)題

從尿素合成塔來(lái)的198℃脲液進(jìn)入汽提塔管程，在汽提塔中加熱蒸發(fā)汽提以提高脲液的濃度，殼側(cè)用中壓飽和蒸汽提供熱量。管程介質(zhì)高壓、高溫、高腐蝕性、氣、液兩相共存均是腐蝕的潛在根源。鈦材汽提塔在運(yùn)行18年間，因設(shè)備腐蝕原因造成系統(tǒng)停車達(dá)八次，設(shè)備歷年來(lái)檢維修情況詳見(jiàn)表1。此外，設(shè)備投用后管程出口溫度最高只達(dá)到205.8℃，達(dá)不到207 ℃的設(shè)計(jì)能力，而2012年大修堵管后操作溫度僅能達(dá)到203.5℃，造成NH3不能全部被吸收，嚴(yán)重影響了整個(gè)尿素生產(chǎn)系統(tǒng)平衡，增加了后續(xù)工藝單元中壓和低壓系統(tǒng)的負(fù)荷，限制了裝置的產(chǎn)能。

表1 氨汽提塔的設(shè)備問(wèn)題及檢修記錄

表1(續(xù))

從表1可以明顯看出，主要的故障有以下幾個(gè)方面：

(1)換熱管頂端800mm范圍內(nèi)的內(nèi)壁均勻腐蝕減薄，一般設(shè)備投用3～4年后開(kāi)始逐步加重。

(2)換熱管頂部14mm的范圍(俗稱管頭)，外壁出現(xiàn)縫隙溝槽性和內(nèi)壁沖刷性腐蝕，詳見(jiàn)圖1。上管頭的腐蝕一般在使用5～8年后呈急劇加快發(fā)展的趨勢(shì)。

(3)距換熱管管口約80mm左右出現(xiàn)“螺旋狀”沖刷溝槽，溝槽深度大于2mm(換熱管壁厚設(shè)計(jì)3.5mm)， 詳見(jiàn)圖2。該腐蝕現(xiàn)象危險(xiǎn)隱蔽性最高，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及可能造成上部碳鋼管板短時(shí)間被腐蝕出較多大的孔洞，影響管板強(qiáng)度。

(4)汽提塔上、下管箱襯里的腐蝕。上管箱各接管內(nèi)襯腐蝕和不流通備用接管的透鏡墊片或襯管出現(xiàn)腐蝕泄漏。一般發(fā)生在8～12年以后，管箱襯里減薄惡化[4]。

(5)換熱管內(nèi)壁有鈦基合成物的垢，一般發(fā)生在5年以后，嚴(yán)重影響換熱效果[5]。

圖1 汽提管上管頭的沖刷性腐蝕

圖2 汽提管上管口“螺旋狀”沖刷溝槽

2 改造方案的確定

2011年錦西化肥廠的鈦制換熱管氨汽提塔在運(yùn)行18年后在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了更換，另外還有三個(gè)同類型化肥廠的汽提塔也陸續(xù)訂貨準(zhǔn)備更換[6]。富島公司從2012年上半年開(kāi)始收集國(guó)內(nèi)同類型化肥廠汽提塔出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)與專利商開(kāi)展技術(shù)交流，對(duì)設(shè)備提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

2.1 設(shè)備更新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

尿素/甲銨液在高溫下具有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別是超過(guò)200℃后腐蝕成倍地增加。按照專利商意大利斯納姆公司的介紹，鈦材制造的換熱管和襯里可以耐受尿素介質(zhì)腐蝕，但是不耐受沖刷，因此，汽提塔襯里和換熱管通常使用壽命在16～18年。ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求襯里厚度不小于2mm(設(shè)計(jì)6mm)，或換熱管壁厚最小不低于1.6mm(設(shè)計(jì)3.5mm)，且堵管面積不大于5%(主要依據(jù)換熱效率不能影響系統(tǒng)維持運(yùn)行為依據(jù))。否則，應(yīng)予以更換。根據(jù)表1列示的相應(yīng)數(shù)據(jù)及圖1顯示的設(shè)備出現(xiàn)的大面積孔洞腐蝕(影響設(shè)備強(qiáng)度)，富島公司有必要對(duì)尿素氨汽提塔換熱器的材質(zhì)進(jìn)行更換。

2.2 方案的選擇

國(guó)內(nèi)某化肥廠使用了不銹鋼制換熱管的汽提塔，使用該型汽提塔另需新增一套高壓加氧裝置，為高壓管程不間斷地提供鈍化介質(zhì)(即便是在尿素短時(shí)間停車高壓系統(tǒng)封閉的期間)。該方案投資小，易維修，但抗腐蝕能力最差，特別是在全廠突發(fā)停電、尿素高壓系統(tǒng)封閉無(wú)氧鈍化情況下風(fēng)險(xiǎn)極高。國(guó)內(nèi)使用最多的是價(jià)格適中的鈦制換熱管汽提塔(約450萬(wàn)歐元)，從各廠使用情況來(lái)看，該型汽提塔抗腐蝕穩(wěn)定期為兩年左右，壽命短，故障率高，維修費(fèi)用高(單次停車維修費(fèi)平均在100萬(wàn)元人民幣以上)，維修技術(shù)難度大等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)有三個(gè)化肥廠第二次更換設(shè)備時(shí)仍采用鈦制汽提塔，腐蝕泄漏問(wèn)題依然沒(méi)有解決，短時(shí)間內(nèi)都出現(xiàn)了腐蝕泄漏的現(xiàn)象。富島公司綜合考慮了設(shè)備壽命、維護(hù)成本、設(shè)備投資及改進(jìn)回報(bào)期等多方面因素，確定了以“管程出口溫度提高到207℃以上，提高高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化能力，降低蒸汽使用量”為設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，最終選用了“歐米加棒”型的鈦襯鋯材質(zhì)汽提塔(設(shè)備費(fèi)用比鈦制換熱管的汽提塔貴100萬(wàn)歐元)。

3 設(shè)備技術(shù)改進(jìn)及其作用

(1)為保證管程出口溫度提高到207℃以上，根據(jù)核算：換熱管長(zhǎng)度保持5m不變，換熱管數(shù)量由2325根增加到2452根，外部直徑增加到2m，新汽提塔換熱面積由730m2增加到770m2。另根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)承載能力核算結(jié)果，將設(shè)備空重由74t增加到88.6t。該措施較好地解決了尿素裝置無(wú)法提高負(fù)荷的技術(shù)瓶頸。

(2)將鈦制換熱管改成“歐米加棒”型換熱管，換熱管外徑不變，具體換熱管外徑為Φ27mm，管壁3.7mm(外層TiB338Gr3,厚度3.05mm，內(nèi)襯Zr702，厚0.65 mm)。鋯比鈦有更好的抗尿素腐蝕和沖刷特性，將徹底解決換熱管上部800mm范圍內(nèi)的內(nèi)壁均勻腐蝕減薄。詳見(jiàn)圖3。

圖3 改造后的“歐米加棒”鈦襯鋯材質(zhì)

(3)換熱管上部的ferrule(國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱“升氣管”或“汽提管”)由外插改為內(nèi)插，將升氣管頂部出氣孔加大，增加下部進(jìn)液口的數(shù)量(有利于提高液體進(jìn)入換熱管內(nèi)壁均勻程度)，解決管頭內(nèi)壁腐蝕，詳見(jiàn)圖4。同時(shí)，將特氟龍(TEFLON)密封墊由一個(gè)改為兩個(gè)，有效防止密封墊安裝過(guò)程開(kāi)裂或翻邊密封不嚴(yán)造成的管頭腐蝕，詳見(jiàn)圖5。

圖4 升氣管的內(nèi)插改造

圖5 特氟龍密封墊的改造

(4)將管程脲液入口管由原30度牛角式改為360度環(huán)形管分布管，在環(huán)形管分布管下部開(kāi)孔，詳見(jiàn)圖6。該改造方案防止了原設(shè)計(jì)大量液體快速流向?qū)γ?，成功地解決了管箱襯里的沖刷腐蝕和液體分布不均的問(wèn)題。

圖6 管程尿液入口管口的改造

(5)將升氣管頂部壓板由格柵式改為孔板式，簡(jiǎn)化安裝，增加壓板強(qiáng)度。液體分布器由一層改為二層，取消不銹鋼填料，有效解決了液體分布不均和升氣管安裝不垂直的問(wèn)題。詳見(jiàn)圖7。

圖7 升氣管頂部原設(shè)計(jì)格柵式壓板、改造后的孔板式以及液體分布器的改造示意圖

4 設(shè)備改進(jìn)后性能考核

2014年12月完成了上述方案在富島化肥一部生產(chǎn)裝置設(shè)備技術(shù)改造工作，設(shè)備投用運(yùn)行三個(gè)月后于2015年3月30日對(duì)新汽提塔進(jìn)行了48小時(shí)滿負(fù)荷性能考核，性能考核結(jié)果的具體情況如下：

(1)出液溫度達(dá)到了制造商提供的保證值207℃。

(2)氨汽提率達(dá)到設(shè)計(jì)值44%。

(3)由于E101換熱效率提高，中壓蒸汽消耗量每小時(shí)降低1噸，起到了節(jié)能降耗作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

新設(shè)備投用后裝置負(fù)荷曾高達(dá)105%，尿素系統(tǒng)操作彈性變大，整改系統(tǒng)工況得到有效優(yōu)化，未再出現(xiàn)過(guò)因汽提塔故障造成的停車。 2018年4月裝置大修進(jìn)行了首次開(kāi)罐檢查，通過(guò)宏觀、測(cè)厚、渦流檢測(cè)、氦滲漏等全面檢查，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏、腐蝕的現(xiàn)象，換熱管管內(nèi)也沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)垢，大大地提高了設(shè)備使用壽命，大幅降低了設(shè)備維修費(fèi)用，全面解決了尿素裝置工藝和材料抗腐蝕的技術(shù)瓶頸，為裝置長(zhǎng)周期安穩(wěn)運(yùn)行提供了有效的保障。