無水氫氟酸生產中換熱設備的故障分析和防范措施

賀志榮 韓擁軍 詹小軍

（多氟多化工股份有限公司）

化機制造

無水氫氟酸生產中換熱設備的故障分析和防范措施

賀志榮*韓擁軍 詹小軍

（多氟多化工股份有限公司）

主要介紹無水氫氟酸生產中換熱器發生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施。

換熱器 故障分析 防范措施 焊縫 表面缺陷 腐蝕

0 前言

無水氫氟酸生產系統中的換熱設備按換熱介質的不同可分為三類。第一類是用冷凍水冷卻的，相應的設備有一冷、二冷以及精餾和脫氣塔的冷凝器；第二類是用循環水冷卻的，相應的設備有初冷（水冷）器；第三類是用熱水加熱的，相應的設備有脫氣塔再沸器和精餾塔再沸器。下面將這三類換熱設備的故障分析和防范措施作分類敘述。

1 初冷（水冷）器

1.1 故障表現

該類設備的絕大多數故障為進氣端管板與換熱管之間的焊縫處發生泄漏，在多氟多化工股份有限公司發生的故障中無一例外。

1.2 故障分析

在無水氫氟酸生產系統中，該類換熱設備是最先接觸介質的換熱設備，也是故障最多的換熱設備。究其故障原因，主要是原料螢石中含有一定的雜質，在發生化學反應生成氟化氫氣體時也同時生成了一定量的水分，雖經預洗滌和預凈化處理除去了大部分水分，但進入初冷器時氟化氫氣體仍有微量水分存在 （800×10-6m3/m3左右）。這些微量水分與氟化氫氣體結合形成微量的氫氟酸，從而導致設備入口處管板與換熱管之間的焊縫腐蝕。如果在生產操作中沒有較好地控制而使氟化氫氣體中的水分含量增加的話，則腐蝕將會加劇。這是故障產生的原因之一。

產生故障的另一個原因，就是溫度越高無水氫氟酸對金屬的腐蝕速率就越快。根據原化學工業部化工機械研究院主編的《腐蝕與防護手冊——化工生產裝置的腐蝕與防護》[1]一書介紹，碳鋼在常溫的無水氫氟酸中是耐蝕的。但碳鋼的耐蝕是相對的，在各種溫度下無水氫氟酸仍會對其產生一定的腐蝕作用，腐蝕速率與溫度的關系見表1。

表1 不同溫度下碳鋼在無水氫氟酸中的腐蝕速率

由表1可見，進入初冷器的氟化氫氣體溫度在40℃以下時，其對金屬的腐蝕速率較低。

該換熱設備的泄漏故障與腐蝕問題密切相關。任何焊接工藝在焊縫內部都會產生一定的焊接缺陷，如氣孔、夾渣等，只是缺陷程度有所差別而已。即使按射線探傷一級標準，也允許每張片子中有一個微氣孔存在。正是由于焊縫中有微氣孔存在，所以當該類換熱設備使用一段時間后，焊縫表面就會被腐蝕 （溫度越高，腐蝕就越快）。因這種腐蝕是均勻的、緩慢的，所以對設備本身影響不太大。但如果微氣孔在焊縫的上部，當焊縫表面被腐蝕后，微氣孔就會暴露，而氫氟酸有極其強的縫隙和孔隙腐蝕能力，這時就會很快地沿孔隙腐蝕下去，直至穿透焊縫。從使用時間較長的設備上均可發現，焊縫高度因腐蝕而比使用前要低許多。此外，換熱管壁厚也因腐蝕而有所變薄。

1.3 預防措施

（1）對于制造時產生的表面缺陷是不允許存在的。設備到貨后通過認真檢查，可以發現表面缺陷，從而可杜絕因表面缺陷而引發的設備故障。

（2）對于焊縫內部存在的微氣孔缺陷可以從以下幾個方面進行改善。

一是改變傳統的全電焊焊接方法，采用氬弧焊打底加電焊罩面或全氬弧焊的方法，盡可能減少焊接缺陷。

二是焊接過程中要保證焊接坡口以及焊絲清潔和干燥，以盡量減少氣孔的產生。

三是實行計劃預修，在確保設備沒有表面缺陷的前提下，初冷器投入使用數月后安排打開進氣端封頭，用拋光機全面清除焊縫上的酸泥，檢查生產工藝過程對焊縫的腐蝕情況。若進入設備的介質中水分控制得好，焊縫腐蝕緩慢，且沒有發現微氣孔，則可延長打開封頭檢查的周期；若此時焊縫已經低了許多 （大于等于2 mm以上），則需要對該焊縫進行堆焊；若發現微氣孔，則應將該氣孔打磨掉，打磨趨勢盡可能平緩，打磨深度大于1.5 mm時，需要用小直徑焊條做堆焊，以保證焊縫的有效高度。

四是嚴格控制初冷器進口的氟化氫氣體溫度（可以通過增加粗酸回流的辦法），使腐蝕速率限制在可控的范圍內。

只要能做好以上幾方面工作，初冷器就可連續使用幾年而不會發生泄漏故障。另外，由于初冷器是立式的，若氣體入口管在封頭正中間，則氣體直接對著的上管板區域焊縫和換熱管更易被腐蝕。可考慮將其改為平封頭加管箱，把氣體進口改在側面。對于北方的氫氟酸生產企業來說，循環水的處理是至關重要的。由于水質中鈣鎂離子較高，很容易對設備產生垢蝕。這也是一個不可忽視的大問題。

2 脫氣塔再沸器和精餾塔再沸器

2.1 故障現象

再沸器的故障表現有兩種。一是換熱管內泄漏， 泄漏部位如圖1所示。二是管板上表面焊縫泄漏，且表面出現大量的微孔。

圖1 換熱管內泄漏部位

2.2 故障原因

上述兩種故障均為無水氫氟酸界面腐蝕所造成的典型故障。

2.3 防范措施

在確保設備制造沒有表面缺陷的前提下，合理控制無水氫氟酸的液位 （液位高度控制在上管板之上50～200 mm范圍內）是防范的關鍵措施，讓界面腐蝕僅發生在上封頭的部位，同時液面高度不宜恒定。這樣再沸器就只是受到無水氫氟酸的腐蝕（腐蝕速率為0.35～0.68 mm/a），從而可保持碳鋼材質換熱段無故障時間在2年以上。

為了延長再沸器的使用壽命，可以考慮增大熱水循環量，從而降低熱水溫度，達到最終降低腐蝕速率的目的。

3 結語

本文主要介紹無水氫氟酸生產中換熱器發生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施。總之，要讓無水氫氟酸生產裝置能夠長周期穩定運行，其設備的制造質量，尤其是管板和列管的焊接質量是重要的基本保障。有效地降低無水氫氟酸在這些設備中的溫度是控制腐蝕速率的關鍵。此外，還要做好預防性檢修。

[1]化學工業部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊——化工生產裝置的腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社，1991.

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本期廣告目次

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玉環中振潤滑機械有限公司 HD3（單色）

上海申銀機械（集團）有限公司 HD4（單色）

Failure Analysis and Preventive Measures of the Heat Exchange Equipment in Anhydrous Hydrofluoric Acid Production

He Zhirong Han Yongjun Zhan Xiaojun

The failure of the heat exchanger in anhydrous hydrofluoric acid production has been mainly introduced,the causes of failure are analyzed,and the preventive measures are put forward.

Heat exchanger;Failure analysis;Preventive measures;Weld seam;Surface defect;Corrosion

TQ 050.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.016

2016-12-12）

*賀志榮，男，1954年生，工程師。焦作市，454191。