氧氮液化設備氧液化器管道砂眼故障分析與處理

邵新中

引言

YPON-5110/7240型氧氮液化設備由四川空分設備（集團）有限責任公司制造、安裝，2008年建成投運。其工作原理主要是利用循環氮壓機將氮氣增壓，膨脹機增壓端進一步增壓，并冷卻后膨脹制取冷量，使高壓氮氣冷卻、液化、過冷。過冷的液氮一部分節流后作為產品去貯槽（或者作為冷源去液化中壓氧氣），既能單獨生產液氧和單獨生產液氮，也能同時生產液氧、液氮。液氧、液氮的產量可以根據市場情況進行調節。

1　氧氮液化設備工藝流程簡介

1.1　氧氮液化設備工藝流程簡圖見圖1

1.2　原料氣的來源

原料氮氣由空分提供，循環氮氣由循環氮氣壓縮機提供，原料氮氣壓力為5～10 kPa.G（設計壓力5 kPa.G），循環氮氣壓力為～2.2 MPa.G。

原料氧氣由氧氣透平壓縮機來，氧氣壓力：2.0～3.0 MPa.G（設計壓力 2.1 MPa.G）。

1.3　冷量的制取

液化設備的冷量由熱端增壓透平膨脹機和冷端增壓透平膨脹機組提供。

1.4　氮氣的液化

由空分來的原料氮氣經循環氮壓機壓縮至2.2 MPa.G，進入熱端膨脹機的增壓端增壓至3 MPa.G后進入增壓機后冷卻器冷卻至40℃，然后進入冷端膨脹機驅動的增壓機，消耗掉冷端膨脹機所輸出的能量，同時得以增壓至3.8 MPa.G，然后進入冷端增壓機后冷卻器冷卻至40℃。

從冷端增壓機后冷卻器出來的高壓氮氣進入冷箱，其中一部分被液化；其余部分從氮液化器中部引出去熱端膨脹機膨脹至0.6 MPa.G，隨后進冷端膨脹機膨脹至0.035 MPa.G。低壓膨脹氮氣返流至氮液化器與高壓氮氣換熱至常溫后出冷箱。液化氮氣出氮液化器節流后進入液氮過冷器過冷。過冷液氮一部分經節流后返回過冷器，其余部分節流后送至液氮貯槽。

1.5　氧氣的液化

當氧液化時，將上述出液氮過冷器作為產品的液氮分成兩股：一股經節流后作為產品液氮進入液氮貯槽；其余經節流后進入氧液化器，與氧氣進行換熱被復熱到常溫后出氧換熱器與出氮液化器的低壓氮氣匯合后并入空分低壓氮氣管網。同時氧氣被液化，經節流后作為產品液氧進入液氧貯槽。

圖1　氧氮液化設備工藝流程簡圖

2　液化器基礎溫度異常下降現象

2017年6月30日18:07，因生產需要投運氧氮液化設備，同時生產液氧、液氮。生產液氧期間，冷箱內氧液化器底部基礎溫度TI4001從16℃持續下降，7月1日20:50最低下降至-109℃。停止生產液氧后，基礎溫度逐漸上升，由此判斷液氧管道泄漏是造成基礎溫度下降的主要原因，必須對氧氮液化設備冷箱進行扒砂，然后檢查、處理。

3　液化器基礎溫度異常下降分析與處理

2017年7月7日氧氮液化設備冷箱扒砂完畢，送壓力空氣對冷箱內設備管道打壓檢查，發現液氧出氧液化器最底部彎頭外彎處母材有一個砂眼并對其進行了補焊處理（圖2）。

圖2　砂眼及補焊示意

此彎頭規格為?95×7.5，材質為鋁合金（型號5052），考慮彎頭壁厚較厚且工況介質為-183℃左右的液氧，判定母材有砂眼肯定有深層次的原因。經過反復研究并結合6月28日檢查發現液化設備冷箱外，液氧去儲槽截止閥及止回閥處有游離水存在的現象，判定為砂眼形成的原因為含有氯離子的游離水沉積在該彎頭（此彎頭為冷箱內氧液化器液氧管道最底部），氯離子造成該鋁制彎頭腐蝕并形成砂眼。

（1）游離水存在的原因

液化設備自2013年6月22日停運后至2017年6月30日前再未運行過，期間液氧通道利用原料氧氣進行保壓，保壓至0.1 MPa.G。原料氧氣管道從5#氧氣透平壓縮機出口中壓氧氣總管底部接入，且為最低點接入。2017年1月8日發現5#氧氣透平壓縮機各級冷卻器都有不同程度的泄漏現象（2017年1月9日全部處理完畢），自2013年6月22日液化裝置停運至2017年1月8日發現5#氧氣透平壓縮機各級冷卻器泄漏期間，各級冷卻器一直存在泄漏但是未被發現，5#氧氣透平壓縮機在此期間進行過多次啟停，啟動瞬間將漏入各級冷卻器氣側的游離水壓出，沉積在出口中壓氧氣總管底部靠近液化設備原料氧氣最低點接入處，在液化設備未運行且在原料氧氣閥門打開送入氧氣保壓過程，將游離水帶入液化設備液氧通道，并最終沉積在冷箱內液氧管道最底部事故彎頭處。

（2）腐蝕機理

5#氧氣透平壓縮機各級冷卻器冷卻水為循環水，水質分析結果顯示氯離子濃度約為150 mg/L，結合相關文獻[1]試驗結果（見圖3），能夠斷定沉積在彎頭處含有大量氯離子的游離水對鋁合金彎頭具有較強的腐蝕作用。

圖3　氯離子濃度對鋁的腐蝕作用試驗結果

(3)檢查處理

2017年8月21日，施工條件具備后，將該彎頭切割拆除，發現彎頭內部有鈣垢和水漬，水漬痕跡流向與原料氧氣氣流方向一致，說明游離水是從原料氧氣帶入，并且彎頭最低點積水處有許多腐蝕點并呈蜂窩狀（見圖4），經過測量，有3個腐蝕點的點坑深度距彎頭外壁接近1 mm，已無法滿足設計使用要求，若此次只對泄漏的一個砂眼進行補焊，不對彎頭進行更換，必將會造成液化設備生產液氧時，2.1 MPa左右的液氧再次泄漏，嚴重時會造成冷箱爆砂事故發生，從而造成設備嚴重損壞甚至導致人員傷亡。最終將此彎頭進行更換，經過打壓、無損檢測、吹掃、裸冷檢查，確認正常后恢復使用。

圖4　彎頭切割檢查結果

4　結語

（1）液化設備原料氧氣、氮氣中水分含量增高，不僅會造成設備內鋁合金管道腐蝕，還會造成管道、換熱設備凍堵損壞，甚至造成超壓事故發生，應在原料氧氣、氮氣進入液化設備冷箱前設置在線露點分析報警儀并密切監視。

（2）日常加強對氧氣透平壓縮機冷卻器、氮氣透平壓縮機冷卻器和增壓透平膨脹機增壓側冷卻器的泄漏檢查，防止啟停過程將泄漏至氣側的游離水帶入液化設備冷箱內的管道和換熱器中。

（3）對異常的分析不能拘泥于表面現象，應追根溯源才能杜絕事故的發生。

[參考文獻]

[1]許維鈞，李文清，盧大容. 純水中微量銅、氯離子對鋁的腐蝕的影響[J]. 原子能科學技術，1965（6）：508-513.