池式冷凝器管板孔的沖刷腐蝕分析及處理

王錫海， 朱 斌， 富雅美

(重慶建峰化工股份有限公司 重慶 408601)

0 前言

重慶建峰化工股份有限公司(以下簡稱重慶建峰化工公司)第二套大化肥裝置中的池式冷凝器是荷蘭斯塔米卡邦公司(Stamicarbon)CO2汽提法尿素工藝的關鍵設備，也是Stamicarbon與奧地利肖埃勒-布萊克曼容器制造公司(Schoeller-Bleckmann Nooter)合作開發的專利設備，其在Stamicarbon前期的尿素工藝中承擔NH3與CO2的第一次尿素合成，見圖1。在Stamicarbon優化工藝后，取消了尿素合成塔，將合成塔與池式冷凝器整合成池式反應器，成功應用在孟加拉國沙迦拉化肥廠。池式反應器與池式冷凝器結構大同小異，但增大了反應空間，節省了項目投資。

尿素合成的簡要流程：來自合成氨裝置脫碳系統的CO2經CO2壓縮機升壓后，從汽提塔底部進入，將尿素溶液中多余的氨、甲銨、水等汽提出進入池式冷凝器；來自合成氨裝置的液氨經高壓氨泵升壓后，通過甲銨噴射器驅動來自洗滌塔的甲銨，混合后進入池式冷凝器；兩股流體在池式冷凝器中充分混合并發生尿素合成反應；從池式冷凝器出來的含有尿素、甲銨、過量的氨以及CO2的物料分兩股流體引入尿素合成塔進行尿素的再次合成，得到的尿素溶液通過合成塔溢流管進入汽提塔，被CO2汽提后進入低壓系統進一步濃縮和凈化；從尿素合成塔頂部出來的未反應的氨和CO2流入高壓洗滌塔冷凝回收。

為了提高CO2轉化率，形成較大的反應和物料均勻混合空間，在選擇池式冷凝器工藝路徑時，確定了工藝流體走池式冷凝器的殼程、冷凝液及產生的蒸汽走管程的物料布局，見圖2。

尿素合成的特點是首先生成不穩定的甲銨，甲銨脫水后生成尿素。不論是第一次尿素合成還是第二次尿素合成，流體中都存在大量的甲銨，而甲銨具有強烈的腐蝕性，特別是高溫高壓下的腐蝕性更強。雖然Stamicarbon在進行高壓系統工藝設計時，與尿液接觸的設備、管道選用了耐腐蝕的Safurex材料，但尿素高壓設備、管道在運行中依然避免不了甲銨的腐蝕，特別是介質高速流動帶來的沖刷腐蝕，很多裝置的汽提塔分布管由于管頭腐蝕已進行了部分或全部更換。

此外，池式冷凝器特殊的結構設計布置，使管側蒸汽不斷沖刷腐蝕管板，造成了管板的不可逆損害，給設備自身的安全帶來了很大的風險，威脅著裝置的穩定運行。近幾年，隨著國內外Stamicarbon尿素2000plusTM工藝裝置的相繼投產，一個共性問題即池式冷凝器管板受到蒸汽沖刷腐蝕的破壞越來越嚴重被暴露出來[1]。

1 池式冷凝器管板的特點

重慶建峰化工公司尿素裝置中的池式冷凝器為U形管換熱器，殼側為高壓側，用于進行尿素合成，筒體強度層材料為碳鋼，內襯Safurex超級雙相不銹鋼；管側為低壓側，主要利用尿素合成產生的熱量將蒸汽冷凝液轉化為低壓蒸汽，管側筒體材料為碳鋼，換熱管材料為Safurex超級雙相不銹鋼；管板設計為碳鋼材料，與尿液介質接觸的一側堆焊了Safurex超級雙相不銹鋼[2]。池式冷凝器管板的最大特點是管板與列管的連接采用深孔焊專利技術，列管不穿透管板，見圖3。而常規管板式換熱器，不論是強度脹接、強度焊接還是脹焊并用，列管都穿透管板，見圖4。

由圖4可知，常規管板式換熱器運行時管程介質不與管板孔接觸，而深孔焊管板換熱器則相反，運行時管程介質直接與管板孔接觸。

2 管板孔的運行現狀

管板孔因為與介質直接接觸，設備處于長期的沖刷腐蝕中，隨著運行時間延長，采用Stamicarbon尿素工藝的池式冷凝器管板孔變形、剝離、擴大越來越明顯，有的設備已開始報廢，有的正處于加速腐蝕階段，給裝置的穩定運行帶來較大的隱患。

2016年3月，某廠池式冷凝器蒸汽冷凝液電導超標，分析后判定為池式冷凝器泄漏。對設備管側和殼側進行檢查后發現，管側碳鋼管板“管橋”出現貫穿性空穴，見圖5；殼側管束拉桿、堆焊層出現管板變形，管束發生異常移位，見圖6。

沖刷腐蝕使管板孔遭受不可逆破壞，失去修復價值，直接后果是整臺設備報廢。

鑒于Stamicarbon尿素裝置相同的工藝條件，2016年6月，重慶建峰化工公司利用消缺機會，對池式冷凝器E205的管板孔徑進行了自查，發現管板蒸汽出口管孔已有沖刷腐蝕擴大現象，靠近Safurex堆焊層的孔徑最大，隨蒸汽流動方向成倒喇叭形(見圖7)，最大孔孔徑比標準孔孔徑(Φ20.5 mm)大0.7 mm，有較大部分的孔徑比標準孔徑大0.2 mm左右。

2018年1月裝置大修，專業公司對池式冷凝器進行了檢測，結果發現管板孔沖刷腐蝕有加速擴大的趨勢，特別是蒸汽出口側的管板孔徑變化明顯[3]。短短一年半時間，管板孔出現了更深程度的沖刷腐蝕，蒸汽出口端管板最小孔徑為Φ21.2 mm，最大孔徑為Φ23.4 mm，平均直徑為Φ22.46 mm，孔徑為Φ23.1～23.4 mm的管板孔占比3.09%；冷凝液進口端管板最小孔徑為Φ21.3 mm，最大孔徑為Φ23.0 mm，平均直徑為Φ22.04 mm，孔徑為Φ22.5～23.0 mm的管板孔占比2.82%。與國內其他同類型廠家交流后得知，池式冷凝器管板孔的沖刷腐蝕現象普遍存在。

3 管板孔變形剝離擴大原因

池式冷凝器管板孔變形剝離擴大最直接的原因是蒸汽流動長期的物理沖刷作用，特別是在深孔焊接處，由于焊縫肉內凹，運行時產生二次回流，加速了物理沖刷影響；同時在管板堆焊層，由于熱應力影響，碳鋼組織晶粒變大，與堆焊的奧氏體不銹鋼形成了較大的電位差，產生了電化學腐蝕，進一步加速了此處管板的腐蝕。設計、選材、運行工況等因素也有影響，可以通過優化設計、控制系統運行參數等進行調節或消除，但流體沖刷和電化學腐蝕的影響始終存在，設備的使用壽命取決于流體沖刷腐蝕的速率[4]。

4 管板缺陷處理

針對池式冷凝器管板孔的變形剝離擴大，通過與Stamicarbon和國內專業廠家溝通，結合技術可靠和經濟合理性，重慶建峰化工公司決定對池式冷凝器管板孔增加保護套改造。

改造方案：①套管貫穿管板到堆焊層，但必須距深孔焊縫位置8～10 mm，避免傷及深孔焊縫，見圖8；②套管與堆焊層脹接貼合，脹接時脹頭的軸向位置不能偏移太大，避免傷及深孔焊縫；③由于受流體反向沖力，套管必須軸向定位，可通過管頭點焊實現。套管安裝示意見圖9。

2019年1月，重慶建峰化工公司第二套大化肥裝置進行大修，同時對池式冷凝器蒸汽出口側2 200只管板孔進行了加2205雙相不銹鋼套管的改造(見圖10)，改造的目的是避免設備運行時蒸汽對管板孔的直接沖刷腐蝕，延長設備的使用壽命，減小設備突發事故風險。

5 結語

經過近一年時間的運行，從運行工藝參數看，管板孔改造對工藝參數的影響非常小。2019年12月裝置大修，對管板孔加套管改造進行了設備內部檢查，總體情況如下：

(1)從外觀看，所有套管無松動、脫落，管頭焊點牢固結實、無腐蝕。

(2)從拔出的套管情況看，無變形、腐蝕現象。

(3)從內窺觀察、實測腐蝕孔洞數據看，管板孔無擴大增生。

結果表明池式冷凝器管板孔加套管的改造是成功的，達到了修復改造的目的，是解決大化肥裝置沖刷腐蝕問題的一種有效手段。更深的意義在于根據工藝運行狀況，提前謀劃設備的自身安全措施，如在設備制造時，主動考慮加雙相鋼套管或雙相鋼復合層等，必將大大延長設備的使用壽命。