濃硝酸裝置硝酸鎂加熱器的改進

黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

濃硝酸裝置硝酸鎂加熱器的改進

黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，浙江，杭州，311228）

硝酸鎂加熱器是濃硝酸裝置的關鍵設備之一。針對生產中硝酸鎂加熱器存在的腐蝕嚴重，使用壽命偏短等情況，剖析了腐蝕原因，提出改進方案。

濃硝酸；硝酸鎂；加熱器；腐蝕

硝酸鎂間接濃縮法生產98%濃硝酸工藝，以其產品質量高、操作方便、運行成本低等一系列優點，逐漸成為國內主流的濃硝酸生產工藝。杭州龍山化工有限公司目前有一套規模為100 kt／a的硝鎂法濃硝酸生產裝置，其中的主要設備之一硝鎂加熱器在實際生產使用中存在U型換熱管容易泄漏、設備檢修頻繁和使用壽命偏短等問題，嚴重制約了濃硝酸生產裝置的長周期穩定運行。

濃硝酸生產裝置中硝酸鎂加熱器一共有5臺，規格為Ф1500×6138。管程和殼程的操作溫度分別為190、175℃，操作壓力分別為1.2MPa、常壓。管程介質為1.3MPa，200℃過熱蒸汽；殼程介質為66%的MgNO3溶液（同時含有1%左右的HNO3）。而U型換熱管材質為00Cr19Ni10，規格Ф25／2，數量252根，管間距32 mm，排列方式為正方形布置，換熱面積F＝184 m2，外形結構示意圖如圖1所示。

圖1 硝酸鎂加熱器示意圖Figure 1 Diagram of magnesium nitrate heater

1 存在的問題及原因分析

1.1 存在的問題

在使用過程中發現，加熱器存在的主要問題是殼體及U型換熱管容易腐蝕，主要腐蝕的部位：①硝鎂加熱器進料管處；②進料管下方的換熱管處；③硝鎂加熱器椎形殼體上半部分。其具體腐蝕部位及情況見圖2所示。

當因腐蝕和沖刷造成換熱管管壁嚴重減薄泄漏后，只能采用堵管的辦法處理［1］。使用近兩年后，已經陸續封堵10%的換熱管，從而嚴重影響換熱效果，最終只能將整臺加熱器調換。由于設備的換熱管和殼體等都為304L不銹鋼，調換一臺設備的費用高達30余萬元。

1.2 原因分析

由于硝鎂加熱器內部的U型換熱管束長期接觸160℃左右的硝酸鎂溶液（其中含0.1%－1%的HNO3），同時，原設計的進料方式也存在一定的缺陷，從而造成加熱器極易腐蝕泄漏，具體原因分析如下：

1.2.1 均勻腐蝕

不銹鋼的均勻腐蝕一般發生在酸性環境或熱堿溶液中，在這些環境下腐蝕會以更快的速度擴散［2］。

質量分數為66%的硝酸鎂溶液進入加熱器（含有少量的HNO3，其為1.0%左右），經蒸汽加熱脫硝后溶液中的HNO3降至0.2%左右并通過溢流管流入稀鎂槽。在加熱器170℃左右的高溫工作條件下，1%左右的HNO3會對不銹鋼造成較快的均勻腐蝕，而在加熱器的硝酸鎂入口處稀硝酸鎂含HNO3濃度最高，在此部位發生的腐蝕比較均勻。

圖2 加熱器腐蝕情況Figure 2 corrosion of magnesium nitrate heater

1.2.2 應力腐蝕

304、304 L等奧氏體不銹鋼應力腐蝕的重要變量是溫度、介質、夾雜物、焊接應力和加工應力等影響。應力來源于冷變形、焊接和金屬鈍擊后的殘余應力等，這些應力的產生使金屬內部穩定的組織得到了破壞，導致晶粒在應力方向的作用下位錯而形成滑移臺階，這些滑移臺階的構成給Cl－帶來了吸附和滲透的機會［3］。

硝酸鎂加熱器的換熱管與管板之間一般采用傳統的貼脹＋強度焊接形式，貼脹之后在臺階處的附加應力很大。因此，該材質換熱器的應力腐蝕失效主要是在管頭部位焊縫邊緣的熱影響區和機械脹接的臺階處。同時，由于生產原料稀硝酸含有C1－，將其帶入了濃硝酸生產裝置中，會使不銹鋼表面在硝酸溶液中生成的鈍化保護膜遭到破壞，從而加劇了應力腐蝕產生。

1.2.3 晶間腐蝕

硝酸鎂加熱器的換熱管與管板之間采用傳統的強度焊接形式，兩者之間存在一定的縫隙，傳熱性不好使焊縫的局部溫度上升的很快，并沿著管子傳遞，使管子的一定區域出現敏化溫度，造成焊接時局部受熱，致使碳原子在晶界以含鉻量很高的碳化物析出，使晶界的含鉻量減少，因此在含硝酸的溶液中更容易發生晶間腐蝕。

1.2.4沖刷腐蝕

沖刷發生時，金屬離子或腐蝕產物因受高速腐蝕流體沖刷而離開金屬材料表面，使新鮮的金屬表面與腐蝕流體直接接觸，從而加速了腐蝕過程。若流體中懸浮較硬的固體顆粒，則將加速材料的損壞。由于硝酸鎂加熱器的進口物料是質量分數66%的硝酸鎂溶液，其密度為1.4 g／cm3，硝酸鎂溶液極容易結晶，產生含有顆粒狀的物料，其從設備進口垂直高速沖下，流速高達4 m／s，對加熱器的列管及殼體的沖刷腐蝕十分嚴重，極易造成設備和換熱管的壁厚減薄從而發生泄漏現象。

2 采取的應對措施

為了有效的解決硝酸鎂加熱器在使用中存在的問題，可從以下幾個方面采取相應的措施來減少設備的腐蝕情況。

2.1 原料及生產控制

在日常的生產中主要控制好稀硝酸鎂溶液含硝量等工藝指標，盡量將稀硝酸鎂中硝酸質量分數降至0.1%以下。具體的控制措施如下：①減小濃硝酸鎂進料量或增加稀硝酸進料量，減小配料比，調整稀硝酸鎂質量分數在64%～75%；②關小蒸發器的加蒸汽調節閥，降低硝酸鎂蒸發器溫度，從而調整濃硝酸鎂質量分數在72%～76%；③定期對硝酸鎂進行沉降、置換，提高硝酸鎂脫水能力，有效降低稀硝酸鎂含硝；④從工藝上減少減少Cl－的來源，在濃硝酸系統中對冷卻盤管加強查漏、堵漏避免其進入系統，在原料稀硝酸生產中將Cl－濃度高的硝酸排到廢酸槽，另行處理回用。

2.2 設備制造時的改進

硝酸鎂加熱器的換熱列管與管板之間焊接采用的是傳統的貼脹＋強度焊接形式，管子和管板之間存在一定的間隙死角，容易引起Cl－聚集。建議將焊接形式改為目前比較先進的內孔焊技術，而根據使用情況說明［4］，用內孔焊技術制造的換熱器耐應力腐蝕破裂性能遠遠優于未采用內孔焊的換熱器，不僅提高了焊接質量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減小Cl－集聚引起的應力腐蝕。

2.3 設備結構的改造

設備結構的改進措施：①在硝鎂加熱器旁安裝一緩沖罐，改變硝鎂加熱器的進料位置及方向。通過增加緩沖罐避免了硝酸鎂直接沖刷進料管，改變進料方向減小了硝酸鎂對筒體的沖刷力度。②在硝鎂進口處正對的U形管束處安裝一弧形聚四氟乙烯板，避免硝酸鎂溶液進入加熱器時，對U型換熱管管束的高速直接沖刷。進料管改造如圖3所示。

圖3 硝酸鎂加熱器進料管改造示意圖Figure 3 Schematic transformation of magnesium nitrate feeding tube heater

3 結語

通過對硝酸鎂加熱器生產控制、工藝防腐控制及設備改造，硝酸鎂加熱器的使用壽命從2年延長至4年以上，大大減小了設備的檢修周期和維護成本。

［1］張正濱.硝酸鎂法生產濃硝酸的加熱器改造［J］.無機鹽工業，2007（2）：12－14.

［2］王均有.硝酸鎂加熱器的改進設計［J］.中氮肥，2012（2）：5－6.

［3］孫志高.濃硝酸生產中硝酸鎂加熱器腐蝕原因與控制［J］.石油和化工設備，2013（4）：7－9.

［4］甄延明.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（2）：13－14.

Improvements on Magnesium Nitrate Heater in Concentrated Nitric Acid Plant

LI Zhi－min

（Hangzhou longshan chemical co.，Ltd.，Hangzhou 311228，China）

magnesium nitrate heater is one of the key equipment in concentrated nitric acid plant，in view of the existing situation of serious corrosion and short service life of the heater for the production，the corrosion causes was analyzed and improvements were proposed.

concentrated nitric acid；magnesium nitrate；heater；corrosion measures

TQ051

A

1004-275X（2014）05-0068-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.018

收稿：2014-07-14

黎志敏（1981－），男，浙江杭州人，工程師，主要從事化工生產與設備管理方面的工作。