氨合成系統列管式水冷器內漏原因分析

李 進

(湖北省黃麥嶺磷化工有限責任公司，湖北大悟 432818)

湖北省黃麥嶺磷化工有限責任公司合成氨分廠設計能力年產80 kt合成氨裝置于2011年9月投產，設計滿負荷(3臺6M32-180/314型壓縮機)日產合成氨240 t。氨合成系統設計壓力為31.4 MPa，正常生產時系統壓力約為24.0 MPa，配套臥式列管式水冷器(管程壓力31.4 MPa，殼程壓力1.0 MPa)，開車至今已更換3臺相同型號合成水冷器，合成水冷器多次內漏導致緊急停車，直接影響合成氨裝置連續穩定運行。

1 工藝流程及主要設備

工藝流程：由氫氮氣壓縮機六段出口送來的新鮮氣，經補氣氨冷器冷卻后進入油水分離器，分離油水后與氨冷器冷卻后的循環氣體一同進入氨分離器，分離液氨后的混合氣體經循環氣壓縮機加壓后進入循環氣油水分離器，分離油水后進入合成塔；反應后的合成氣出塔進入廢熱鍋爐，回收熱量后去熱交換器，換熱后再進入合成水冷器及冷交換器，氣體溫度進一步降低后去氨冷器，與補入的新鮮氫氮氣匯合后，然后去氨分離器，如此進行循環[1]。氨合成系統主要設備參數見表1。

表1 氨合成系統主要設備參數

2 存在的問題

該氨合成系統采用臥式列管式水冷器，冷卻水走殼程，合成氣走管程。2011年9月運行至今，合成水冷器內漏緊急停車22次，已更換3臺(1#～3#)相同型號列管式水冷器。氨合成系統水冷器運行內漏情況見表2。

表1 氨合成系統水冷器運行內漏情況

3 原因分析

合成水冷器殼程流體流過換熱管時，以特定的固有頻率沖擊換熱管，進而引發振動。當流體引發振動的振幅增大到換熱管無法支撐跨距的中部產生碰撞或者在折流板產生摩擦時，會造成換熱管泄漏或換熱管與管板連接處泄漏，產生過大的噪聲和合成水冷器殼程壓降增高。監控合成水冷器殼程壓降突然增高時，需立即作停車處理，防止安全事故發生[2-3]。誘發合成水冷器管束振動的原因有旋渦脫落、湍流抖振、流體彈性不穩定性、聲共振等4種。

3.1 防振措施設計

1#水冷器設備設計時，進水口未設置擋板，高速水流直接沖刷換熱管，產生劇烈振動，導致換熱管被折流板切斷而爆管，屬于流體彈性不穩定性導致管束振動引起的。2#水冷器設計時，未能吸取1#水冷器換熱管爆管的教訓；而在設計3#水冷器內件時，采取了加強預防振動的措施，在進、出水端增加折流桿，增大設備固有頻率，提高臨界頻率，防止水冷器管束振動。

3.2 換熱器跨距設計

換熱器固有頻率和跨距的平方成反比，跨距的減少能明顯提高換熱器的固有頻率，增大臨界速率，避免錯流速超過臨界速率而引起流體彈性不穩定性振動。國內某同規模氨合成裝置采用臥式列管式換熱器(DN 1 800 mm，長度7 358 mm，F=800 m2)長周期運行后無泄漏；在相同換熱面積的前提下，湖北省黃麥嶺磷化工有限責任公司3臺列管式水冷器設計跨距(長度10 800 mm)比其長3 442 mm，換熱器固有頻率相對減低，管束振動發生概率增大，易導致換熱器損壞。

3.3 運行操作

在合成氨裝置開停車期間，溫度、壓力的升降對合成水冷器造成不同程度的破壞，3#水冷器在2016年4月至7月發生7次內漏，與合成氨裝置加減負荷和非計劃開停車有直接關系。合成水冷器內漏后，不可避免導致氣氨進入循環水系統，雖然經過冷卻塔蒸發，但對合成水冷器列管仍會產生腐蝕，促使其發生內漏。

4 結語

在氨合成系統水冷器的選型設計中，要重點考慮換熱管束防振措施，在相同條件下要縮小水冷器跨距，以提高水冷器的固有頻率，減小流體彈性不穩定性而導致管束振動，降低水冷器發生內漏的概率。

2016年7月后，合成氨系統降低負荷2機生產，同時加強控制冷卻水水質，定期添加液堿，保持循環水pH≥7，3#水冷器運行至今未發生內漏。為滿足合成氨系統在滿負荷3機生產需要，擬采購1臺套管式水冷器(F=558 m2，2組套管式換熱管組件)作為4#合成水冷器與3#水冷器并聯運行，以降低3#水冷器的運行負荷，確保在高負荷、高溫下氨合成系統水冷器的冷卻效果，達到系統長周期穩定運行的目的。