三流體換熱器腐蝕原因分析及改造措施

姚鵬飛

(山西晉豐煤化工有限責任公司　山西高平048400)

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三流體換熱器腐蝕原因分析及改造措施

姚鵬飛

(山西晉豐煤化工有限責任公司山西高平048400)

山西晉豐煤化工有限責任公司(以下簡稱晉豐公司)有2套“18·30”尿素生產(chǎn)裝置，其中脫碳工段均采用NHD物理吸收法脫碳。第2套尿素裝置的脫碳工段因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的變換氣溫度升高、三流體換熱器內(nèi)部的冷凝水量增多。由于三流體換熱器底部無排凝口，不能及時排出內(nèi)部的冷凝水，氣液沖刷造成換熱管管口焊縫泄漏，變換氣竄至低閃氣中，導致低閃氣CO2純度過低，被迫緊急停車進行檢修。檢修時發(fā)現(xiàn)三流體換熱器底部封頭及筒體出現(xiàn)多處裂紋，分析原因后對其進行了改造。

1　工藝流程

1.1氣體流程

來自變換氣脫硫工段的氣體經(jīng)干法脫硫槽脫硫后進入干脫后水冷器降溫，然后經(jīng)進塔氣分離器I分離水分后進入三流體換熱器底部，與低閃氣CO2、凈化氣換熱，降溫后的氣體經(jīng)進塔氣分離器II分離水分后進入脫碳塔底部，氣體自下而上與從上而下的NHD貧液逆流接觸，進行CO2的脫除；脫碳塔頂部出來的氣體經(jīng)凈化氣分離器分離夾帶的NHD霧沫后進入三流體換熱器上部回收冷量，最終去精脫硫工段。

1.2液體流程

來自汽提塔塔底的NHD貧液經(jīng)脫碳泵加壓后送至溶液氨冷器降溫，然后進入脫碳塔頂部。吸收了CO2的NHD富液經(jīng)渦輪泵回收能量后進入高壓閃蒸槽，初步閃蒸出CO2，H2和N2的NHD溶液進入低壓閃蒸槽，在此閃蒸出CO2氣體，再經(jīng)低閃氣分離器分離NHD霧沫后進入三流體換熱器下部，回收冷量后再去尿素工段。低壓閃蒸槽內(nèi)的NHD溶液經(jīng)U形管進入汽提塔頂部，用空氣汽提出NHD溶液中殘存的CO2氣體，汽提塔底部的NHD貧液經(jīng)脫碳泵加壓后進行下一個循環(huán)。

1.3汽提空氣流程

汽提空氣由羅茨鼓風機抽引，經(jīng)空氣過濾器進入空氣換熱器與汽提氣換熱，溫度降低后進入空氣分離器分離水分，再經(jīng)п形管道進入汽提塔底部，自下而上對汽提塔頂來的NHD溶液進行汽提解吸，汽提塔頂部出來的汽提氣經(jīng)解吸氣分離器分離夾帶的NHD液滴后再進入空氣換熱器回收冷量，最終在羅茨鼓風機出口放空。

2　主要設(shè)備

NHD脫碳工段主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1　NHD脫碳工段主要設(shè)備參數(shù)

3　存在的問題

正常運行中，進干法脫硫槽的氣體溫度約為40.0 ℃，經(jīng)干脫后水冷器降溫后的氣體溫度約為28.7 ℃，經(jīng)三流體換熱器降溫后的氣體溫度約為12.5 ℃。因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的氣體溫度上升至約36 ℃，為了維持生產(chǎn)，將干脫后水冷器水側(cè)的排氣閥常開排氣，三流體換熱器出口氣體溫度約20 ℃，維持運行了1個多月。后因低閃氣中φ(CO2)由原來的98.5%降至85.0%，被迫緊急停車進行檢修。打開三流體換熱器人孔，發(fā)現(xiàn)其鍋底封頭、筒體、中段管板間筒體出現(xiàn)多處裂紋，而干脫后水冷器封頭及筒體并未出現(xiàn)類似裂紋。

4　原因分析

(1)三流體換熱器變換氣進口管是從底部封頭中間直接進入，且底部無排凝口，造成冷凝水無法排放。因干脫后水冷器泄漏，造成進三流體換熱器的氣體溫度升高，大量水在三流體換熱器下部冷凝，氣液沖刷造成換熱管管口焊縫腐蝕、泄漏。

(2)因干法脫硫槽內(nèi)的活性炭脫硫劑更換不及時，造成干脫后H2S含量長期超標(H2S質(zhì)量濃度為8.5～10.2 mg/m3)，在三流體換熱器內(nèi)H2S- CO2- H2O共存的條件下，再加上氣體流速較快，造成H2S腐蝕和氫脆。在H2S的水溶液中，分子態(tài)的H2S引起了鋼的脆化，這一過程是按以下順序進行的。

H2S(吸附)+e→H2S-(吸附)

H2S-(吸附)→HS-+H(吸附)

HS-+H+→H2S

這樣反復的作用，生成大量的氫原子吸附在鋼的表面上，為鋼的滲氫脆化提供了必要條件。H2S在鋼腐蝕的氫電極反應(yīng)中起了催化作用和主導作用，水是引起腐蝕的必要條件，CO2的存在會促進腐蝕。

(3)干脫后水冷器封頭及筒體材質(zhì)均為0Cr18Ni9，而三流體換熱器封頭、筒體材質(zhì)均為16MnR，在三流體換熱器內(nèi)部H2S- CO2- H2O共存的條件下，造成三流體換熱器封頭及筒體形成硫化物腐蝕，進而產(chǎn)生裂紋。

5　改造措施

通過分析三流體換熱器內(nèi)部裂紋出現(xiàn)的原因，檢修過程中更換了干法脫硫槽內(nèi)的活性炭脫硫劑，同時在干脫后水冷器、三流體換熱器消漏后，對三流體換熱器內(nèi)部進行了改造：①將三流體換熱器底部變換氣進口管向上延伸500 mm，管口割成鋸齒狀并在其上部安裝升氣帽，升氣帽通過不銹鋼管焊接固定在進氣管上(圖1)；②對三流體換熱器底部封頭及筒體的裂紋先用角磨機修復，然后用J507焊條補焊，最后在底部封頭及筒體處用厚 3 mm的不銹鋼板(材質(zhì)為0Cr18Ni9)作內(nèi)襯，全部滿焊；③在變換氣進氣管口處用Φ57 mm不銹鋼管制作一倒U形彎排凝口，內(nèi)部靠近變換氣進氣管壁且焊接固定在進氣管外壁上，穿過進氣管外部固定在檢查孔上(如圖1虛線部分所示)。

圖1改造前、后三流體換熱器示意

6　改造效果

改造后，因三流體換熱器底部增加了鍋底導淋，稍開導淋可連續(xù)排水，減少了三流體換熱器內(nèi)的冷凝水流量，氣液沖刷現(xiàn)象得到改善，三流體換熱器出口的變換氣溫度較改造前也有所降低，由12.5 ℃降至11.5 ℃ 。通過在三流體換熱器內(nèi)部增加不銹鋼內(nèi)襯，緩解了H2S- CO2- H2O共存條件下造成的硫化物腐蝕，每次遇系統(tǒng)小修時，打開三流體換熱器人孔檢查，底部封頭及筒體內(nèi)襯處均未出現(xiàn)裂紋。

2015- 05- 10)