高壓甲銨冷凝器全生命周期常見故障與處理

曹金鑫

（中化藍(lán)天集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310000）

0 引 言

Snam氨汽提法尿素裝置中，高壓甲銨冷凝器是其核心設(shè)備之一，造價(jià)昂貴，由于其運(yùn)行在高溫高壓和強(qiáng)腐蝕性工況下，因而易發(fā)生故障。以下闡述與總結(jié)某高壓甲銨冷凝器投運(yùn)多年來(lái)的常見故障及處理措施，指出常見故障產(chǎn)生的原因，并提出高壓甲銨冷凝器運(yùn)行、操作和維護(hù)方面的建議，以期為業(yè)內(nèi)同類型設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和管理提供一些參考與借鑒。

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備基本情況

某公司300kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置于1996年9月建成投產(chǎn)，其尿素裝置采用Snam氨汽提工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1765t／d。氨汽提法尿素裝置中，高壓甲銨冷凝器（E105）是四大高壓設(shè)備之一，為臥式釜型U形管結(jié)構(gòu)，由高壓封頭、管箱、U形管束及低壓殼體等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 高壓甲銨冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

高壓甲銨冷凝器管程為高壓系統(tǒng)、殼程為低壓系統(tǒng)，與工藝介質(zhì)接觸側(cè)均貼襯或堆焊316Lmod或CrNiMo25-22-2型不銹鋼，其主要設(shè)備參數(shù)見表1，主要工藝參數(shù)見表2。

表1 高壓甲銨冷凝器主要設(shè)備參數(shù)

表2 高壓甲銨冷凝器主要工藝參數(shù)

2 常見故障原因分析與處理

2.1 高壓側(cè)管箱隔板支撐圈焊縫裂紋

本臺(tái)高壓甲銨冷凝器投用3a后，其管箱隔板支撐圈與襯里連接焊縫處出現(xiàn)裂紋。經(jīng)分析，由于管程隔板支撐圈連接處的襯里與管箱碳鋼殼體間間隙過(guò)大，超過(guò)了3mm，在多次開停車過(guò)程中，管程隔板支撐圈焊縫在高壓作用下產(chǎn)生了開裂。當(dāng)時(shí)停車對(duì)支撐圈與襯里連接焊縫裂紋處進(jìn)行了打磨、補(bǔ)焊修復(fù)，并計(jì)劃下次裝置停車大修時(shí)更換支撐圈；在隨后的裝置停車大修時(shí)，支撐圈切除過(guò)程中發(fā)現(xiàn)支撐圈與襯里焊縫處出現(xiàn)多處裂紋，部分裂紋已穿透至襯里，于是采取了先修補(bǔ)襯里再更換新支撐圈的方案——在裂紋穿透襯里部位采用加墊板焊 （即用0.8mm 厚的CrNiMo25-22-2薄片鑲?cè)氪┩覆课槐巢吭俸附?，采用CrNiMo25-22-2焊材）的方式進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成后對(duì)襯里進(jìn)行滲透檢測(cè)和鐵素體檢測(cè)，合格后更換新支撐圈。

2.2 換熱管缺陷與泄漏

本臺(tái)高壓甲銨冷凝器投用后，基本上每2a進(jìn)行一次大修，在歷次大修中均對(duì)其換熱管進(jìn)行渦流測(cè)厚和探傷，具體情況如下。

（1）在高壓甲銨冷凝器整個(gè)生命周期，換熱管壁厚均勻減薄速率在材料的正常腐蝕速率范圍內(nèi)。

（2）高壓甲銨冷凝器投用至第6年時(shí)，渦流探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)上管板的1根換熱管內(nèi)部（距管口2.1m處）有一處開裂性缺陷信號(hào)，遂參照原化工部頒布的《設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程：甲銨冷凝器維護(hù)檢修規(guī)程》進(jìn)行了堵管處理，堵頭板材與焊材均采用CrNiMo25-22-2；高壓甲銨冷凝器運(yùn)行至第3個(gè)大修周期（即第6年后）時(shí)的渦流檢測(cè)中，部分換熱管開始出現(xiàn)缺陷信號(hào)，有缺陷信號(hào)的換熱管多集中在上管箱頂部，缺陷部位顯示在靠近管板較近的幾處折流板處；在高壓甲銨冷凝器運(yùn)行至第5個(gè)大修周期（即第10年）時(shí)，氨滲漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn)18根換熱管泄漏（停車前設(shè)備有內(nèi)漏跡象），出現(xiàn)泄漏的換熱管主要集中在上管板頂部區(qū)域，與之前渦流探傷反映出來(lái)的缺陷信號(hào)區(qū)域基本一致，由于高壓甲銨冷凝器管束結(jié)構(gòu)的特殊性，泄漏部位無(wú)法確認(rèn)，之后，在同年的渦流檢測(cè)中另發(fā)現(xiàn)有22根換熱管出現(xiàn)較明顯的缺陷信號(hào)，于是此次大修時(shí)對(duì)以上40根換熱管全部采用自熔焊的方式進(jìn)行了堵管處理；在此后的歷次大修中，對(duì)渦流檢測(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷信號(hào)的換熱管以及氨滲漏檢測(cè)出現(xiàn)泄漏的換熱管，均采取了堵管處理；高壓甲銨冷凝器運(yùn)行至第18年時(shí)，累計(jì)堵管572根（總管數(shù)1672根），堵管率達(dá)到了34.2%。

經(jīng)初步分析，換熱管出現(xiàn)缺陷與泄漏的原因是，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中因堵管焊縫泄漏等原因，殼程中長(zhǎng)時(shí)間混入腐蝕性工藝介質(zhì)——甲銨液，而高壓甲銨冷凝器殼程下部為冷凝液、上部為蒸汽，上部溫度較高，因而上部管束的腐蝕較重；另外，氣液兩相交界部位存在“氣液沸騰”現(xiàn)象，沸騰造成管束振蕩，列管與折流板摩擦，出現(xiàn)深深的“咬痕”。在進(jìn)入高壓甲銨冷凝器殼程檢查時(shí)也證實(shí)了這一判斷。

2.3 低壓側(cè)折流板腐蝕脫落

本臺(tái)高壓甲銨冷凝器的低壓側(cè)折流板腐蝕脫落發(fā)生在設(shè)備運(yùn)行的中后期（10a后），檢查發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)折流板出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，部分折流板固定螺栓、折流板上的管孔也出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕。折流板對(duì)高壓甲銨冷凝器內(nèi)的換熱管具有固定、支撐作用，當(dāng)其腐蝕損壞后，會(huì)對(duì)高壓甲銨冷凝器的運(yùn)行造成較大的影響，比較突出的是因折流板失去固定作用而導(dǎo)致的管束振動(dòng)加劇問(wèn)題，管束的振動(dòng)又造成換熱管與折流板、管束與管板之間摩擦、擠壓，嚴(yán)重時(shí)甚至造成換熱管穿孔泄漏。經(jīng)分析，折流板為碳鋼材質(zhì)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生內(nèi)漏后，管程甲銨液進(jìn)入殼程蒸汽冷凝液系統(tǒng)，繼而造成了這些碳鋼內(nèi)件的腐蝕。

為防止管束振動(dòng)時(shí)換熱管與折流板發(fā)生摩擦，通過(guò)與工藝專利商Snam及國(guó)內(nèi)同類型尿素廠家交流，采用了不銹鋼扎帶（寬25mm、厚1mm）將松動(dòng)的管束捆扎在一起的方法，經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)扎帶有斷裂、脫落現(xiàn)象，表明失去折流板固定、支撐作用的換熱管振動(dòng)嚴(yán)重，同時(shí)也表明捆綁的扎帶對(duì)管束振動(dòng)起到了一定的約束作用，對(duì)延長(zhǎng)高壓甲銨冷凝器的使用壽命起到了一定的作用。

由于折流板無(wú)法在線維修更換，經(jīng)與工藝專利商交流了解到，近年來(lái)制造的高壓甲銨冷凝器已將折流板材質(zhì)升級(jí)為了機(jī)械性能和抗腐蝕性能更為優(yōu)良的不銹鋼；同時(shí)，為防止管束振蕩，在其殼程增加了管束支撐結(jié)構(gòu)。

2.4 堵頭焊縫反復(fù)泄漏

本臺(tái)高壓甲銨冷凝器歷年的大修中，都會(huì)對(duì)已發(fā)生泄漏的換熱管和渦流檢測(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷信號(hào)的換熱管進(jìn)行堵管處理，此舉有效防止了管程的甲銨液泄漏至殼程，但與此同時(shí)，大規(guī)模的堵管也帶來(lái)了另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題——堵管焊縫多次、反復(fù)出現(xiàn)泄漏。

在首次堵管后的下一個(gè)大修周期，發(fā)現(xiàn)1個(gè)堵頭腐蝕脫落，造成周圍襯里、堵頭 “鐵污染”，將該堵頭更換，并對(duì)污染部位堵頭進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊修復(fù)；在隨后的一個(gè)大修周期，高壓甲銨冷凝器內(nèi)的換熱管又發(fā)生了3次堵頭泄漏，被迫臨時(shí)停車進(jìn)行檢修，將之前封堵的68個(gè)堵頭全部取出，重新加工CrNiMo25-22-2材質(zhì)的堵頭再次進(jìn)行堵管；但在隨后的運(yùn)行過(guò)程中仍然多次出現(xiàn)堵頭焊縫穿孔泄漏，甚至多次出現(xiàn)堵頭腐蝕至完全脫落的現(xiàn)象。在高壓甲銨冷凝器的全生命周期內(nèi)，泄漏和缺陷換熱管堵頭焊縫反復(fù)泄漏的問(wèn)題一直無(wú)法根治，造成尿素裝置每年多次被迫臨時(shí)停車檢修，經(jīng)濟(jì)損失較大，加之高壓甲銨冷凝器大規(guī)模的堵管已無(wú)法滿足尿素裝置的高負(fù)荷生產(chǎn)需求，在其服役20a后不得已進(jìn)行了整體更換。

經(jīng)分析，高壓甲銨冷凝器泄漏和缺陷換熱管堵頭焊縫泄漏由以下多重原因造成：一是被封堵的換熱管內(nèi)部介質(zhì)不流通，易造成腐蝕性介質(zhì)的濃縮和積聚；二是臥式高壓甲銨冷凝器在短暫的搶修時(shí)間內(nèi)無(wú)法將換熱管內(nèi)的水分和雜質(zhì)清除干凈，而堵頭焊縫存在氣孔、夾渣等缺陷，長(zhǎng)期運(yùn)行后埋藏性缺陷暴露致甲銨液進(jìn)入堵頭與列管的間隙，在介質(zhì)不流動(dòng)和缺氧的情況下對(duì)堵頭和堵頭焊縫形成腐蝕。

3 總結(jié)與建議

3.1 問(wèn)題總結(jié)

總結(jié)本臺(tái)高壓甲銨冷凝器全生命周期內(nèi)的故障及其發(fā)生的部位，發(fā)現(xiàn)除高壓側(cè)管箱隔板支撐圈焊縫裂紋問(wèn)題單純發(fā)生在設(shè)備高壓側(cè)外，其他問(wèn)題均為低壓側(cè)和高壓側(cè)共同作用的結(jié)果，從故障原因來(lái)看，許多故障是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。

（1）管束在運(yùn)行中的振動(dòng)造成了換熱管與折流板、換熱管與管板間的摩擦和擠壓，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱管損壞、穿孔泄漏。

（2）管程中的甲銨液泄漏至殼程，造成折流板等碳鋼部件腐蝕損壞，折流板腐蝕脫落后，失去對(duì)換熱管的支撐、固定作用，管束振動(dòng)更加嚴(yán)重，換熱管與折流板、換熱管與管板間的摩擦和擠壓更加劇烈，從而加速了換熱管的損壞、穿孔泄漏。

（3）高壓甲銨冷凝器泄漏和缺陷換熱管封堵后，換熱管內(nèi)的介質(zhì)難以流動(dòng)，易濃縮和積聚，易形成缺氧腐蝕，加劇換熱管的腐蝕損壞。

（4）換熱管堵管處理后，堵頭焊縫自身可能存在埋藏性氣孔、夾渣等缺陷，在腐蝕性介質(zhì)的作用下埋藏性缺陷更易擴(kuò)展、暴露，管程中的甲銨液泄漏進(jìn)入堵頭與換熱管的間隙，形成缺氧狀態(tài)下的腐蝕，加劇堵頭焊縫的腐蝕，甚至導(dǎo)致堵頭腐蝕脫落。

3.2 運(yùn)行維護(hù)建議

基于上述高壓甲銨冷凝器常見故障的原因分析，筆者對(duì)高壓甲銨冷凝器的運(yùn)行、操作和維護(hù)方面提出如下建議。

（1）在關(guān)注高壓甲銨冷凝器高壓側(cè)維護(hù)、操作、管理的同時(shí)，高度重視低壓側(cè)。工藝方面，要嚴(yán)格控制低壓側(cè)蒸汽和冷凝液的品質(zhì)；設(shè)備方面，大修中要注重檢查低壓側(cè)管束折流板、管束支撐、固定螺栓等構(gòu)件的完好情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理或修復(fù)。

（2）一旦高壓甲銨冷凝器出現(xiàn)內(nèi)漏，應(yīng)立即停車處理。通常高壓甲銨冷凝器的低壓殼體、折流板、管束支撐等大量承壓部件和內(nèi)件采用的是碳鋼，一旦高壓側(cè)甲銨液泄漏至低壓側(cè)，將對(duì)碳鋼材質(zhì)內(nèi)件造成嚴(yán)重腐蝕，而折流板等管束支撐結(jié)構(gòu)的損壞將加劇換熱管的振動(dòng)，造成換熱管與折流板、換熱管與管板間的摩擦和擠壓，導(dǎo)致?lián)Q熱管損壞、穿孔泄漏。高壓甲銨冷凝器的內(nèi)漏很容易通過(guò)低壓側(cè)蒸汽冷凝液的電導(dǎo)率、氨和尿素含量、鐵離子含量等工藝指標(biāo)的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，因而一旦出現(xiàn)內(nèi)漏應(yīng)立即停車予以處理，以免事故擴(kuò)大化。

（3）杜絕氯離子進(jìn)入高壓甲銨冷凝器。氯離子無(wú)論進(jìn)入高壓甲銨冷凝器的高壓側(cè)還是低壓側(cè)，都會(huì)對(duì)其不銹鋼襯里和部件造成嚴(yán)重的、不可逆的應(yīng)力腐蝕，因此應(yīng)定期對(duì)蒸汽冷凝液進(jìn)行分析，并定期進(jìn)行排污，避免有害介質(zhì)的聚集和濃縮。

（4）嚴(yán)格控制堵管過(guò)程中的焊接工藝。對(duì)已發(fā)生泄漏的換熱管和渦流檢測(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷信號(hào)的換熱管進(jìn)行堵管前，應(yīng)將管內(nèi)的積水、雜物吹掃和清理干凈；同時(shí)，嚴(yán)格控制焊接時(shí)的熱量輸入，焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，必要時(shí)對(duì)每一道焊縫進(jìn)行檢測(cè)，以避免埋藏性氣孔、夾渣缺陷的存在；另外，要對(duì)焊縫進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè)，控制鐵素體含量低于0.6%。