硝酸裝置低壓反應水冷器的腐蝕及改進措施

黎志敏

(杭州龍山化工有限公司，浙江 杭州 311228)

近年來，雙加壓法硝酸裝置以其氨耗低、鉑耗低、成品酸濃度高和尾氣中氮氧化物含量低等優點，逐漸成為我國硝酸行業采用的主要生產工藝，但該工藝裝置中的低壓反應水冷器設備的腐蝕泄漏問題一直制約著裝置的長期穩定運行，嚴重影響產品的質量和產量。下面以杭州龍山化工有限公司的105 kt/a 雙加壓法硝酸裝置為例，分析探討該設備的腐蝕泄漏原因及應對措施。

1 設備工況及運行現狀

1.1 設備參數

低壓反應水冷器外形尺寸:φ1 400 mm ×13 747 mm，殼體材料:20R，換熱管材質:304L，換熱管規格:φ25 mm×2 mm×11 000 mm，管數:822根，管間距:32 mm，排列方式:正三角形，換熱面積:F=702 m2。

1.2 存在的問題

1.2.1 設備容易產生泄漏

該公司的一臺φ1 400 mm 低壓反應水冷器從2010 年5 月份開始使用2 a 后，換熱管由于高溫稀硝酸長期的沖刷，每次停車檢修都會發現換熱管存在不同程度的泄漏。在多次對發生泄漏的管板處及換熱管進行焊補后，原總共822 根換熱管，已經焊補封堵了120 余根，冷卻面積下降15%。由于換熱面積減少，造成了NOX氣體溫度偏高，未封堵前溫度為37 ℃，兩次補漏后，溫度達到42～45 ℃，影響了NOX壓縮機提壓效率，降低了裝置能力;也影響了酸吸收段溫度，降低酸吸收效率;同時泄漏后產生的HNO3進入殼程后加速了碳鋼設備和管線的腐蝕。

1.2.2 設備維修更換成本高

按照低壓反應水冷器的實際使用情況來看，運行3 a 左右就因泄漏嚴重需要進行更換，由于該設備換熱管材質采用的304L 不銹鋼，換熱面積702 m2總重22 t。若調換一整臺設備費用就需120 ×104RMB￥以上，成本很高。

2 腐蝕原因分析

2.1 溫差應力

由于低壓反應水冷器的換熱列管與管板之間采用的是貼脹+強度焊接形式，在脹管處管壁減薄及焊接容易造成殘余應力，而設備入口處的NOx氣體溫度高達170 ℃，循環冷卻水的溫度約30 ℃，兩者之間的溫度相差較大，而過大的溫差應力極易造成換熱管薄弱處腐蝕破損。

2.2 高溫冷凝稀酸沖刷

入口處NOX氣體溫度高達160～170 ℃，出口為40 ℃左右，而該氣體的露點溫度97 ℃，在冷卻過程中不斷有冷凝酸產出。按照理論數據及使用經驗，超過70 ℃的冷凝稀硝酸對304L 不銹鋼的腐蝕比較嚴重，特別是在高速氣流的帶動下對管束的沖刷比一般的腐蝕嚴重。目前進入低壓水冷器的NOx氣體溫度約為160 ℃，所以水冷器的腐蝕主要集中在了前半段。通過對設備的檢查，也證實了這一點。

2.3 Cl-聚集導致的腐蝕

設備的換熱管采用的是304L 不銹鋼，是不耐Cl-腐蝕的，Cl-易引起304L 應力腐蝕開裂。由于采取的常規的管板焊接方法，在管束和管板之間存在間隙，如果循環冷卻水中的Cl-濃度較高，容易在間隙死角處產生了Cl-聚集，從而使管子表面形成點蝕或縫隙腐蝕［1］。

3 改造措施及建議

3.1 保證冷卻水質量

要嚴格控制循環水的各項指標，減少懸浮物、雜質等帶入，特別是要定期分析Cl-含量防止超標(要求其質量分數不大于100 μg/g);通過殼程的排污口對循環水進行定期排放等措施，同時可在裝置停車檢修期間進行物理或化學專業清洗，消除污垢。盡量減小換熱管與管板間死角處的Cl-聚集，防止應力腐蝕的發生。

3.2 采用先進的制造工藝

一般換熱列管與管板之間采用傳統的貼脹+強度焊接形式，改為目前比較先進的內孔焊技術。根據使用情況，用內孔焊制造的換熱器耐應力腐蝕破裂性能優于未采用內孔焊的換熱器［2］。該工藝不僅能提高焊接質量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減緩由Cl-聚集引起的腐蝕。

鈦材能更好的適應70 ℃的冷凝稀硝酸工作環境，如果在金屬市場鈦材料價格適中，將前置低壓反應水冷器換熱器的列管和管板選擇為鈦材，適當減小換熱管壁厚，即能保證換熱效果，也能延長使用壽命。

3.3 優化設備結構

可將設備結構設計成中間一個進氣口、兩端為出氣口的結構，將NOx走殼程、冷卻水走管程并為多程，同時折流板采用圓缺形狀，在整個圓面上布置滿管子，并用扁鋼條對管束進行固定。這樣的結構的改變，可有效解決因冷卻水清洗不及時造成的列管結垢，導致列管表面溫度升高的問題，從而減少Cl-聚集的機會，避免列管表面硝酸再蒸發現象，減少設備被腐蝕造成事故［3］。

3.4 設備布置形式

在改造方案中將低壓反應水冷器分為兩段，主要是為了減少后置冷卻器的應力腐蝕和高溫冷凝稀酸沖刷腐蝕。前置低壓反應水冷器入口處氣體溫度約170 ℃，冷卻水溫度約30 ℃;而后置低壓反應水冷器入口處氣體溫度約70 ℃，冷卻水溫度約30 ℃，相對溫差減小很多，能很好抑制溫差應力腐蝕。同時原設備太長，造成更換成本過高，而現在通過前置冷卻器來大大緩解對后面一只低壓反應水冷器腐蝕，延長了其使用壽命，如有泄漏只需更換前置低壓反應水冷器即可，能減少設備更換和維修成本。

在具體改造實施過程中，考慮到設備投資的問題，換熱器的換熱管材質還是選用了304L 不銹鋼，新換的兩臺φ1 500 mm 水冷器的熱管規格為φ25 mm×5 500 mm，共計948 根，換熱面積為401 m2，兩臺水冷器換熱面積共計802 m2。這樣換熱面積有所增加，保證出口溫度的降低。列管數量的增加，降低管內稀酸的流速，減少了對換熱管的沖刷程度。

4 結束語

以上改造措施實施后，低壓反應水冷器投入運行約2 a 來，均未發現換熱管內部腐蝕泄漏問題，有效地保證了硝酸裝置滿負荷安全穩定運行，提高了工藝氣體冷卻效果，從而大幅度提高了裝置的生產率，保證了產品的質量和產量，是值得行業內推廣的優化改造措施。

［1］甄延明，王平，鄭守利，等.硝酸裝置低壓反應水冷器的腐蝕分析及防護對策［J］.化肥工業，2011，38(2):46-47.

［2］秦萬慶，陳大雄.內孔焊接在低壓反應水冷凝器制造中的應用［J］.壓力容器，1991，8(6):72-77.

［3］王全文.雙加壓硝酸裝置中低壓反應水冷器泄漏及改進［J］.煤化工，2013(6):37-39.