不銹鋼換熱管在氯氣冷卻中的應用

索延波

(濱化集團股份有限公司，山東 濱州 256600)

中間冷卻器是氯氣壓縮輸送中的一個重要的組成部分。當高速運行的葉輪對氯氣進行加壓后，根據能量守恒定律，氣體溫度升高。氯的化學性質非常活潑，常溫干燥的氯對碳鋼腐蝕很輕，碳鋼材料在高溫干氯中連續使用的最高溫度為200 ℃。當壓縮后的氯氣溫度超過200 ℃后，會劇烈腐蝕碳鋼，損壞透平壓縮機。因此，在每一級壓縮后須對氯氣進行冷卻降溫，再進入下一級壓縮。中間冷卻器便是氯氣冷卻降溫的主要設備。

濱化集團股份有限公司化工分公司(以下簡稱“濱化化工分公司”)2004年12月開始使用透平壓縮機取代硫酸液環式納氏泵。該透平機為三級壓縮三級冷卻，出口氯氣壓力為0.38 MPa，壓縮后直接送至下游環氧丙烷生產裝置。透平壓縮機主機、油系統為德國進口，中間冷卻器為國產設備。自使用該透平機以來，整體運行良好，但也發生了4次中間冷卻器內漏事故，造成了氯堿裝置及下游裝置的系統性停車。

1 中間冷卻器的制作

中間冷卻器采用固定管板、臥式列管換熱器，屬Ⅲ類壓力容器，設計標準依據為GB 150.1～150.4—2011 《壓力容器》、GB 151—2014 《熱交換器》、TSG 21—2016 《固定式安全技術監察規程》。殼程介質為干燥Cl2(含水質量分數小于6×10-5)，材質Q345R， 設計壓力1.8 MPa，設計溫度120 ℃，操作壓力<0.38 MPa，操作溫度115 ℃；管程介質為循環冷卻水，材質20#鋼，設計壓力1.0 MPa，設計溫度100 ℃，操作壓力0.3 MPa，操作溫度40 ℃。殼程筒體、管板、換熱管焊接完成后，整體進行爐內消除應力熱處理。設備制作完成后,對管程換熱管進行TH-847內部防腐處理。

2 中間冷卻器內漏及原因分析

2015年7月12日,濱化化工分公司氯氣壓縮系統中間冷卻器第4次出現內漏后，為查找換熱器內漏的原因，對泄漏換熱器進行解剖分析。共拆檢2根換熱管，其中1根為泄漏換熱管。泄漏換熱管的位置距管板約1.5 cm處，拆檢情況如下：選取換熱管規格為Φ19×2，用壁厚檢測儀檢測泄漏換熱管壁厚為1.92 mm、1.94 mm、1.95 mm；與沒有泄漏的換熱管進行對比(泄漏換熱管外表見圖1、泄漏換熱管內壁見圖2，沒有泄漏的換熱管的外表見圖3)，換熱管內外比較光滑。以上結果表明腐蝕不嚴重。

圖1 泄漏換熱管外表

圖2 泄漏換熱管內壁Fig.2 Inner wall of leaked exchange tube

分析認為，孔蝕是換熱管腐蝕內漏的主要原因。處于電解質中，金屬表面的某些特定點會產生瞬間很高的金屬溶解速度。這些點有可能是金屬表面劃痕處、晶格缺陷等。當介質中含有某些活性陰離子(例如Cl-)時，這些陰離子將被吸引到呈正電性的高速溶解區(陽極區)，從而加速了該點的腐蝕速度，形成孔蝕源；孔蝕源形成后，金屬在蝕孔內的高速溶解使蝕孔內產生過多的正電荷，使Cl-不斷遷入，以維持電中性[1]，因此，蝕孔內會產生高濃度的金屬氯化物溶液。又由于氯化物的水解作用，使孔內溶液的pH值下降，酸性增強，產生高濃度的H+。 H+和Cl-均能促進大多數金屬的溶解，整個過程隨時間而加速。而陰極區卻得到了保護，無腐蝕痕跡。

圖3 沒有泄漏的換熱管外表Fig.3 Outward appearance of non-leaked heat exchange tube

3 改進措施

根據透平機中間冷卻器所處工況，分析使用以來出現的內漏情況，一級、二級中間冷卻器使用壽命在4年左右，三級中間冷卻器使用壽命在3年左右。針對換熱管孔蝕情況，采取了以下措施。

(1)查閱常用金屬材料耐干氯氣的腐蝕性能[2]，不銹鋼材質能在干氯氣中使用，不銹鋼材質在循環水中的耐腐蝕性能優于碳鋼材質。因此，借2018年6月停車大修的機會，更換了三級中間冷卻器，在換熱器設計標準規范不變的情況下，將換熱管20#材質換為304不銹鋼材質。

(2)采用先進檢測技術，加強換熱管腐蝕監控，發現隱患及時維修。在2018年6月停車大修時,濱化化工分公司采用渦流探傷對換熱管逐根檢測，發現一級中間冷卻器一根換熱管腐蝕缺陷在30%，二級中間冷卻器一根換熱管腐蝕缺陷在70%，因此，對二級中間冷卻器進行更換，一級中間冷卻器監控運行，并計劃下一大修周期時根據運行情況進行更換。

(3)嚴控冷卻水腐蝕速率，每月取樣分析掛片的腐蝕情況，將不銹鋼腐蝕率控制在低于0.005 mm/a，碳鋼腐蝕速率控制在低于0.075 mm/a；

(4)做好每一級中間冷卻器冷卻回水管ORP的監控。在ORP值異常變化時，快速、正確判斷換熱器是否內漏，做到積極應對。

4 結語

鑒于氯氣的劇毒性、濕氯氣的強腐蝕性，氯堿行業始終把氯氣處理工序作為氯堿生產的重要工序之一。不銹鋼換熱管在透平機中間冷卻器中應用剛剛16個月，使用壽命有待進一步考證。不銹鋼材質在氯氣冷卻設備中的應用是一種嘗試，也可對氯氣液化、液氯汽化工序的換熱管材質的選擇提供參考。