雙相鋼在合成氨空壓機組段間設備上的應用

吳保民，王 強，吳保軍

(錦西天然氣化工有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125001)

錦西天然氣化工有限責任公司(以下簡稱錦天化)合成氨裝置100E3和100V2分別是工藝空氣壓縮機的第二段間冷卻器和分離器，從1992年投用，到2003年之前，100E3因工況惡劣、設計不合理、換熱管泄漏等原因導致換熱能力不足，先后更換5臺冷卻器。2002年之前，100V2運行基本正常，腐蝕也在正常范圍之內，但自2002年以后，隨著機組段間冷卻器100E3換熱能力的下降，只能臨時采用殼體外部保溫拆除噴淋降溫，周圍環境水汽增大，這也造成100V2的內部含水量上升，從而導致腐蝕嚴重，每次檢修都發現有大片腐蝕疏松層脫落。經查找相關資料，對比分析后發現，同時要滿足高溫高濕及氯離子腐蝕的材料，可采用雙相不銹鋼00Cr18Ni5Mo3Si2，相當于瑞典3RE60，屬于第一代雙相不銹鋼，故決定采用這種雙相鋼作為主要過流部件，委托哈爾濱703所設計制造，于2003年檢修時先后更換，至今運轉正常。

1 設備簡介

1.1 工藝條件

錦天化工藝空氣壓縮機為二段轉化爐提供工藝空氣。工藝空氣經入口過濾器100F1過濾后，被一級葉輪壓縮至0.12 MPa、123℃的空氣進入一段冷卻器100E1，溫度降至42℃，并進入一段分離器100V1，經二、三級葉輪壓縮至0.857 MPa、257℃后，進入二段冷卻器100E3，溫度降至42℃，并進入二段分離器100V2，然后進入第四級葉輪繼續壓縮，經四段壓縮至3.32 MPa、227℃后，在一段爐對流段中預熱到510℃送入二段轉化爐。工藝流程見圖1。

1.2 設備參數

(1)原始的二段冷卻器100E3規格：(直徑×壁厚×長度)Φ1 376mm×14mm×7 805mm；材質：殼體SA516Gr.70；換熱管SA179，Φ19.05mm×2.1mm，共613根；制造廠：法國德西尼布公司。

改造后二段冷卻器100E3：規格：(直徑×壁厚×長度)Φ1 924(mm)×12(mm)×8 362(mm)；材質：殼體20g；換熱管00Cr18Ni5Mo3Si2，Φ22(mm)×1.5(mm)，共1 264根；制造廠：哈爾濱703所。

(2)二段分離器100V2。設備規格為Φ1 768 mm×4 780 mm，殼體及封頭壁厚δ=16mm，改造前材質為16MnR，改造后材質為00Cr18Ni5Mo3Si2。工藝參數見表1。

表1 二段冷卻器、二段分離器工藝參數

2 設備故障情況

100E3自投產以來，因工況比較惡劣造成換熱管泄漏，先后進行過5次更換，主要是因為設計不合理，導致換熱能力不足，同時工藝空氣中所含的氯會對換熱管產生應力腐蝕。隨著100E3換熱能力的下降，只能臨時采用殼體外部噴淋降溫，造成100V2的內部含水量上升，導致碳鋼支架均勻腐蝕，產生鐵銹，同時不銹鋼除沫網也存在氯離子腐蝕，鐵銹及斷裂的鋼絲對空壓機四級靜導葉及葉輪進行沖刷，造成靜導葉和葉輪葉片的腐蝕減薄，既存在葉片斷裂的風險，也降低了壓縮機的效率。2003年改造之前，對100E3更換過5次。

(1)1992年，法國德西尼布公司給設備制造商提供的環境相對濕度是62%，而錦天化夏季現場的相對濕度平均值是82%，高于設計值，這就意味著減小了設備的換熱面積，導致換熱能力降低。

(2)1995年，法國德西尼布公司重新設計制造該設備，換熱管采用的是U形管，雖增加了一些換熱能力，但換熱管材質未改變，腐蝕問題仍未解決。

(3)1997年，借鑒國外經驗國內設計制造，換熱管采用的是304材質的波節管，運行環境中存在腐蝕介質產生應力腐蝕，造成換熱管開裂泄漏。

(4)1998年，根據使用過程中存在的問題，再次采用國內設計制造，將換熱管由原來的波節管改為翅片管，雖增大了換熱能力，但材質仍舊是304。

(5)1999年，對換熱管材質進行了改造，由國內設計制造，選取了一種抗高溫、氧化性能比較好的20g作為換熱管材質，仍未從根本上解決換熱管的腐蝕問題。

根據上面5次出現100E3換熱管泄漏的情況和100V2的罐內腐蝕的情況，經過技術討論后，提出將冷卻器換熱管和分離器罐體的材質改為雙相鋼以抗氯離子腐蝕。

3 腐蝕原因分析

由于100E3臨時采用殼體外部保溫拆除噴淋降溫，造成外部環境濕度增大，大量水蒸氣夾帶進入機組中，造成100V2的內部含水量上升，加劇了罐內的腐蝕。檢查100E3換熱管的裂紋以及100V2中間除沫網(主要材質為304鋼絲)的碎絲，發現表面上都有蟲咬式的腐蝕痕跡。經分析，認為主要原因是附近存在化工廠氯堿裝置，偶爾會(間斷)有氯氣釋放，空氣介質中確實存在氯氣污染，Cl-含量約2.45%，少量氯氣和氯化氫氣體伴隨空氣通過入口過濾器帶入壓縮機中，造成不銹鋼換熱管及除沫網的應力腐蝕破壞。

4 改進措施

綜上分析，兩臺設備的腐蝕原因為外表面的干濕交替區域聚集濃縮氯離子，在氧、氯等的促進作用下，在100E3換熱管及100V2罐內，304不銹鋼金屬的外表面產生孔蝕和應力腐蝕裂紋。100E3擴展到管的內壁，導致換熱管發生腐蝕泄漏，100V2罐內疏松層的脫落及除沫網的碎絲，導致機組第四級入口的雜質增多。因此，盡量減少空氣中液態水的攜帶量，避免出現干濕交替區域，而無法控制空氣中氯和氧的含量，只能選擇更耐氯化物孔蝕和應力腐蝕的材料。由于一般的奧氏體不銹鋼對氯化物十分敏感，因此在以孔蝕、縫隙腐蝕為起源而引起氯化物應力腐蝕斷裂的介質中，新型鐵素體—奧氏體型雙相不銹鋼的應用尤為有效，它既耐均勻腐蝕，又具有良好的抗孔蝕及應力腐蝕能力。

雙相不銹鋼是固溶狀態鐵素體相和奧氏體相大約各占一半，集鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼優點于一身的特殊鋼種，自上世紀30年代瑞典研制出雙相不銹鋼以來，其已經發展到第三代。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有耐腐蝕能力強、塑韌性好、焊接性能優良等特點。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼不僅抗氯化物應力腐蝕能力強，而且強度明顯高于奧氏體不銹鋼，屈服強度可達400～550MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此，可以有效降低壓力容器的設計厚度。由于雙相不銹鋼具有以上這些優異的性能，已經被廣泛應用于石油化工設備、海水與廢水處理設備、輸油輸氣管線、造紙機械等工業領域。

根據100E3更換5臺后換熱管的泄漏情況以及100V2的罐內腐蝕情況分析，決定采用00Cr18Ni5Mo3Si2鋼作為冷卻器換熱管和分離器罐體的材料。00Cr18Ni5Mo3Si2鋼是上世紀70年代我國根據當時的生產條件，開始研制的第一代雙相不銹鋼。在抗腐蝕方面，特別是在氯離子含量較高的介質環境中，它的耐均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕性能明顯優于普通的奧氏體不銹鋼。

雙相不銹鋼的抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力主要取決于Cr、Mo、N元素的含量，采用耐點腐蝕指數PREN來評價。其值越高，抗局部點蝕的能力越強。

耐點腐蝕指數PREN=Cr%+3.3×(Mo%+0.5×w%)+16×N%

5 結語

100E3換熱管與100V2罐體采用雙相不銹鋼后，兩臺設備運行到目前為止仍十分平穩，不僅延長了檢修周期(特別是空氣壓縮機組)，而且可以保證裝置連續生產。兩臺設備的成功運行解決了制約生產的瓶頸問題，并為合成氨裝置整體提負5%奠定了可靠的基礎。

上述改造成功后，錦天化在甲醇裝置的甲醇合成塔內部反應管采用了第二代雙相不銹鋼SAF2205，至今運轉穩定。由于雙相不銹鋼具有優良的耐氯化物腐蝕的能力，同時因其具有高強度而成為奧氏體不銹鋼理想的替代材料，在工業生產中具有良好的應用前景。隨著其在國內得到大力推廣，雙相不銹鋼必將會應用于更多的領域。