冰機換熱器泄漏原因分析及解決措施

郭文龍，張鴻斌，宋文戈，劉曉明，王 杰

(陽煤豐喜肥業〔集團〕有限責任公司泉稷能源公司，山西運城 044000)

陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司泉稷能源公司(以下簡稱泉稷能源)焦爐氣綜合利用年產300 kt合成氨、520 kt尿素聯產65 kt LNG項目于2013年6月籌建，2015年12月投產。其中氨合成工段的冰機是該項目的核心設備，共有二段、三段和末級冷3臺列管式換熱器，冷卻介質為循環水。這3臺換熱器在運行過程中都存在結垢和腐蝕問題，經常因降溫效果差、泄漏而被迫停車，嚴重影響安全生產。現針對冰機換熱器出現的問題，分析了其結垢和腐蝕的原因，為保證系統長周期運行提供借鑒。

1 冰機長周期穩定運行的重要性

液氨是生產尿素的主要原料，冰機是液氨生產的核心設備。冰機的作用是回收低溫甲醇洗、氨合成裝置氨冷器蒸發的氣氨，經過加壓、冷卻變為液氨，為尿素提供原料，并作為氨冷器的制冷介質循環使用。泉稷能源“30·52”項目只配備 1臺冰機，如果不能正常運轉，將直接影響全廠的安全運行。

2 工藝流程

來自低溫甲醇洗的氣氨(0.034 MPa，-40 ℃)進入一段分離器，經過濾器進入冰機一段入口；來自合成氨系統(0.133 MPa，-10 ℃)及過冷器的氣氨(0.131 MPa，-15 ℃)進入二段分離器，與一段出口氣氨(0.136 MPa，60 ℃)混合，然后進入冰機二段入口；二段出口氣氨(0.409 MPa，90 ℃)經二級冷卻器冷卻至40 ℃，與來自低溫甲醇洗的氣氨(0.394 MPa，4 ℃)在三段分離器內與二段出口氣氨混合，氣液分離后經過濾器進入冰機三段入口；三段出口氣氨(0.84 MPa，102 ℃)經三段出口冷卻器冷卻(0.84 MPa，40 ℃)過濾后進入四段進口；四段出口氣氨(1.66 MPa，103 ℃)經末級冷卻器冷卻至45 ℃，然后進入蒸發水冷器，冷卻至40 ℃后送入液氨儲槽。液氨儲槽不凝氣經不凝氣分離器冷卻回收，不凝氣進入火炬總管，氣氨進入冰機一段入口回收利用，液氨一部分直接送入尿素界區作為原料使用，另一部分經過冷器再次冷卻后送入低溫甲醇洗工段，過冷器氣氨進入二段分離器。冰機各段換熱器設計情況見表1。

表1 冰機各段換熱器設計情況

3 換熱器泄漏原因分析及對策

3.1 換熱器管束材質選擇

化工系統換熱器最常用的材質是銅、碳鋼和不銹鋼等，銅的導熱系數為381 W/(m·℃)，碳鋼的導熱系數為46.5 W/(m·℃)，不銹鋼的導熱系數為16.2 W/(m·℃)。雖然銅材的導熱系數是鋼材的很多倍，但管束材質為碳鋼的換熱器傳熱系數可達1 409 W/(m2·℃)，銅管的傳熱系數為1 488 W/(m2·℃)，僅增加5.8%，而銅材價格是碳鋼的5倍。另外，由于銅管在有氨環境下腐蝕速率很快，所以管束材質只能選擇碳鋼或不銹鋼[1-2]。

泉稷能源冰機換熱器設計選用碳鋼材質，于2015年12月投用，2017年4月因末級冷卻器泄漏嚴重更換新內件，2017年11月又發生泄漏，新碳鋼內件使用時間不足7個月。同類廠家不同材質換熱器使用年限見表2。

表2 同類廠家不同材質換熱器使用年限

不銹鋼因其特有的化學組成，對酸堿都具有良好的耐腐蝕性能，能有效抗晶間腐蝕。由表2可知：不同廠家同類設備，管束材質為不銹鋼的換熱器使用壽命優于碳鋼。

3.2 腐蝕原因分析

與水中的緩蝕劑磷酸鹽反應：

此外，溶解在水中的氧還會發生電化學腐蝕：

2Fe=2Fe2++4e(陽極反應)

O2+2H2O+4e=4OH-(陰極反應)

2Fe+ 2H2O+O2=2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O

其結果是在管束傳熱面上逐漸結垢，由于垢層與列管內壁的縫隙大小正好處在容易發生垢下腐蝕的區間內，因此垢下腐蝕是管束發生泄漏的主要原因[3-4]。

垢下腐蝕的產生是由于在0.1～0.3 mm寬的縫隙內存在死液，其中的氧消耗后得不到補充即成為缺氧區。缺氧區域的管壁屬于陽極，而其余沒有垢層的管壁或垢層與管壁間隙較大處的管壁則因為有飽和氧而成為陰極，在此發生氧的還原反應，縫隙內外構成了氧濃差電池。大陰極小陽極的組合，提供了腐蝕過程向金屬深處快速推進的條件。另外，水中有氯離子的存在，為保持縫隙內溶液電中性，氯離子會遷移到縫隙中，引起縫隙中溶液進一步酸化，成為氧濃差電池腐蝕的自催化過程，致使縫隙腐蝕加劇，并影響到管壁深處，甚至出現管壁穿孔。

3.3 泄漏危害及對策

3.3.1 氨泄漏排查

當發生氨泄漏時，循環水水質明顯惡化，微生物大量繁殖，藻類迅速滋生，系統濁度上升。觀察冷卻塔填料會發現：填料黏泥附著嚴重，并在冷卻塔壁形成大量苔蘚類物質，當超過填料承重會造成填料變形、塌陷，填料透水量下降，冷卻塔降溫效果下降。大量的微生物造成旁濾系統堵塞，過濾流通量下降，反洗效果變差。

3.3.2 氨泄露的危害

氨進入水中會發生如下反應：

高壓氨泄漏進冷卻水中，促進了硝化菌落大量繁殖并最終轉化為硝酸根和亞硝酸根，所以顯堿性的氨在冷卻水中通過轉化等過程，最終使整個循環水系統的pH大幅下降。同時，硝化菌群的大量繁殖會造成換熱器的生物性腐蝕和結垢，亞硝酸根會消耗大量的殺菌劑氯，進而降低殺菌率；微生物大量繁殖，水質急劇惡化，冷卻器的換熱效率降低。另外，氨進入水中可與氯離子、碳酸生成氯化銨、碳酸氫銨及碳酸銨等銨鹽。

HCl+NH3=NH4Cl

銨鹽結晶部位集中在換熱器進口處，由于此處正是循環水和氣氨的入口處，是氣氨溫度急劇降低的地方，雖然形成的銨鹽濃度未超過其溶解度，但是隨著溫度的降低，很容易形成結晶堵塞管口，使換熱器換熱效率急速下降，介質出口溫度迅速升高，給生產帶來極大的安全隱患。

3.3.3 整改措施

通過上述分析可知，不銹鋼更適合該工況，在檢修時將末級冷管束更換為不銹鋼材質。運行過程中如果發現氨泄漏，必須及時堵漏，泄漏設備應立即從系統切出。如果無法切出，循環回水應就地排放，避免影響其他換熱設備；然后選用合適的藥劑，交替投加氧化性和非氧化性殺菌劑，并投加黏泥剝離劑，控制冷卻水系統內微生物沉積，最后要加大置換量。由于氨泄漏后循環水質惡化嚴重，濁度、pH、總堿度等偏離指標較大，微生物黏泥增多，為了降低微生物黏泥在循環水中的濃度，減輕水質惡化對相關換熱器造成的危害，必須加大置換水量，并適時調整藥劑濃度直至水質達標。

加強對循環水系統的管理，嚴格把控水質指標，不僅可及時發現系統出現的泄漏等問題，還能有效降低相關設備的腐蝕，延長設備的使用年限。

4 結語

氨換熱器聯運直接影響到了冰機的長周期運轉，關系到整個合成氨系統的聯運。換熱器管束兩側的氨和循環水都容易造成設備腐蝕，再加上氣氨和循環水壓差較大，如果腐蝕造成氣氨漏入水中，會極大地惡化整個循環水系統，對整個換熱裝置造成威脅。現通過理論分析查找原因，提出了相應的解決措施，在實際生產中延長了換熱器的使用壽命，降低了檢修費用，減少了開、停車次數，為企業創造了良好的經濟效益。