部分換管技術在氨汽提尿素裝置中的應用

(河南能源中原大化公司化肥事業部，河南 濮陽 457004)

河南能源中原大化公司化肥事業部尿素裝置，是上世紀80年代引進的第一套大型氨汽提尿素生產工藝，年產尿素52萬t，從1990年5月投產以來，已連續穩定運行28年。尿素氨汽提塔是氨汽提尿素工藝中最為關鍵的高壓設備，其運行效果的好環直接影響到尿素整套裝置安全高效運行。但隨著運行時間的增長，鈦材換熱管受到不同程度的腐蝕，因換熱管泄漏而造成尿素停車的次數在逐年增加，2016年因氨汽提塔泄漏停車3次，所以，利用2016年底和2017年底2次設備大修的機會，采用某公司的部分換管技術，對氨汽提塔部分換熱管進行更換，投運以來，2017年和2018年上半年運行期間，此設備運行良好，未出現過設備泄漏、裝置停車事件。

1 氨汽提塔

1.1 氨汽提塔設備參數

氨汽提塔(E101)是尿素裝置的關鍵設備之一，直立管殼式換熱器，采用上下對稱結構，根據設備的腐蝕情況，當上部列管厚度達最小值時，汽提塔上下部可以翻轉使用，延長設備使用壽命。汽提塔共安裝了2574根鈦材換熱管，換熱管固定在上下管板上，為了使液體均勻地分布到每根管中，在上管板上裝有液體分布器，其主要作用是使液體能均勻地分配到每一根換熱管中，并在每根管子的管壁上保持一層薄膜，從而達到較好的汽提效果。此設備是整套引進的進口設備，由意大利斯那姆公司設計，意大利新庇隆公司制造。設備參數見表1。

表1 氨汽提塔設備參數

1.2 汽提塔工藝流程

尿素合成塔來的尿液從汽提塔上部尿液進口管線進入，經液體分布器進入每一根汽提管端沿切線方向開出的φ3.2mm的小孔，使在管壁上形成一層液膜流下。經汽提后的尿液從底部經尿液出口管線流出，在塔底部還裝有鈷60射線液位計，供液位指示調節。汽提氣從每根管頂端出來，在上封頭內匯集后，經氣體出口管線送往高壓甲銨冷凝器。為了供給甲銨分解與氣化時所需要的熱量，在殼側由上部蒸汽入口管線通入2.2MPa飽和蒸汽，蒸汽冷凝液由下部冷凝液出口管線流出。氨汽提塔見圖1。

圖1 氨汽提塔

1.3 氨汽提塔工作原理

所謂汽提，就是在保持與合成等壓的條件下，在外供熱的同時，采用降低氣相中氨和二氧化碳某一組分(或二組分)的分壓的辦法，來分解甲銨的過程。采取的方法現有二氧化碳汽提、氨汽提、雙汽提、變換氣汽提等。根據相平衡原理，一定溫度下的液體混合物中，每一組分都有一平衡分壓。設組分i的平衡分壓用Pi※表示，當與之液相接觸的氣相中該組分的分壓Pi趨于0時，Pi遠遠小于Pi※，則組分i將由液相轉入汽相，此即為汽提原理。

2 氨汽提塔腐蝕特點及實際腐蝕情況

2.1 氨汽提塔腐蝕特點

尿素汽提塔內的主要腐蝕形式為汽提塔上部汽提管的沖刷腐蝕。汽提塔的上管箱、封頭和其他內件為均勻腐蝕，汽提塔的下管箱、封頭表面有一層致密而堅硬的垢層，設備的腐蝕狀況不明顯。汽提塔的進液管、分布器、升氣帽、擋液板等均表現為一定的沖刷腐蝕。

汽提管的腐蝕主要表現為管端腐蝕和減薄腐蝕。汽提管管端腐蝕主要表現為密封面上腐蝕坑、腐蝕孔、腐蝕溝槽及管端波浪型缺口。產生此種腐蝕的主要原因是分布器裝配過程中，因裝配不當導致四氟墊變形、開裂；四氟墊本身尺寸因素，造成汽提管與四氟墊之間、汽提管與分布器之間產生縫隙腐蝕所致。

汽提管減薄腐蝕主要位于距上管口1.5m以內，且愈靠近上管板，減薄愈嚴重。產生此種腐蝕的主要原因：①該處是蒸汽進口，所以從整根汽提管溫度分布來說，該處溫度最高，達到220℃，由于溫度升高，鈦材的耐腐蝕性能有所下降；②該處的汽提作用最強，由于溫度高，使得與管壁相接觸溶液中氣相急劇蒸發，從而形成湍流造成沖刷腐蝕。

2.2 氨汽提塔實際腐蝕情況

按照氨汽提塔檢修規程，每年停車檢修期間邀請專業公司對汽提塔腐蝕情況進行檢測。以2016年和2017年檢測情況為例，宏觀檢查見表2，汽提管渦流檢測情況見表3，分布圖見圖2。

表2 2016年和2017年氨汽提塔腐蝕宏觀檢測情況統計表

注：此表所檢查部位位于汽提塔上管箱，下管箱基本處于均勻腐蝕狀態，不再列出。

表3 2016年和2017年氨汽提塔腐蝕渦流檢測情況統計表

圖2 2016年2017年氨汽提塔列管渦流檢測示意

2016年渦流檢測，列管上部壁厚值在1.60～3.8mm，平均壁厚2.89mm；下部壁厚值在1.20～3.5mm，平均壁厚2.56mm。有較大腐蝕減薄的列管在管板上分布有一定的規律，管板前后及兩側邊緣區域的列管壁厚值較薄，中間區域的列管壁厚較厚。單根列管來看，腐蝕減薄區域在管口至距管口1～1.5m范圍內；上、下部的最薄點分別是兩側距管口430mm左右。

2017年渦流檢測，列管上部壁厚值在2.0～3.8mm，平均壁厚3.04mm；下部壁厚值1.75～3.8mm，平均壁厚2.86mm。上部和下部壁厚平均值有所增加的主要原因是2016年對列管上下進行部分更換。

2017年對取出的管號為13～2上部列管進行剖開處理，實際列管腐蝕情況見圖3，根據實際測量數據，繪制得列管壁厚示意(見圖4)。

圖3 列管上部實際腐蝕情況

圖4 列管上部壁厚示意

從實測數據可知，在距上管口125mm處，列管內壁出現較為嚴重的溝槽現象，在距上管口384mm，列管內壁呈現加速腐蝕現象，到距上管口600mm處，列管壁厚恢復到許可范圍。通過對工藝介質流向及設備結構，產生溝槽的主要原因，一是管內壁結垢，介質經液體分布器后呈切線分布，形成液膜，力量隨著距離的下移逐步減弱，最終停留在垢層的上方，周而復始形成環向溝槽，隨著負荷的變化，環向溝槽在不停地下移；二是汽提管上均勻分布3個小孔，受到介質沖刷、腐蝕，孔徑在不斷增大，或更換新管后，管內阻力降在不斷變化，管內產生的溝槽深淺不一；三是密封墊四氟圈尺寸不合適，有內漏現象，介質走短路，管內阻力降在不斷變化，管內產生的溝槽深淺不一。其他同類型的裝置汽提管溝槽現象更為嚴重(見圖5)。

圖5 某廠氨汽提塔列管溝槽

3 氨汽提塔列管部分更換

3.1 列管部分更換技術

氨汽提塔列管規格為φ27×3.5mm，在小管徑上進行新舊列管對接焊接，需要采取雙面焊，才能達到與新管一樣的強度。2003年以前只有國外部分公司掌握此技術，2003年某公司結合實際檢修經驗與理論研究，掌握了此種小管徑對接雙面焊的接管技術，并成功應用到氨汽塔列管管頭更換、氨汽塔列管部分更換工作中，設備投運后，運行良好，使用年限大大延長，節省了較大費用投入。鑒于此項技術的成功應用，經過實地考察，并結合我廠氨汽塔實際腐蝕情況，決定對氨汽提列管采用此技術進行部分更換，以確保氨汽提塔的安全穩定運行。

3.2 氨汽提塔列管部分更換情況

2016年底大修期間，根據列管壁厚測量結果，列管上下各截取750mm的舊管更換成同樣材質及厚度的新管，對上部壁厚值≤2.3mm及下部壁厚值≤1.7mm的469根列管優先更換，然后根據檢修時間及腐蝕減薄情況，對其他257根共計726根列管進行換管。2017年底對上部壁厚值≤2.75mm的608根列管，管板內有缺陷的93根，共計701根列管優先更換，由于天然氣供應緊張，裝置開車推遲，檢修時間延長，對尿素氨汽提塔換管計劃進行追加，到2018年2月大修結束時，共計大修期間更換1 061根。兩年共計更換列管1 787根，占全部列管的69.4%。

氨汽提塔列管更換主要工藝步驟：①去除上、下管板的管端及連接焊縫(堵管的列管先去除堵頭)；②加工管板內的貼脹部分管段；③將列管拔出；④切除薄減部分管段。⑤新管段與舊管組裝、焊接；⑥列管對接焊縫檢驗；⑦回裝對接焊列管；⑧焊接管子與管板焊縫；⑨空氣試漏；⑩脹管；管端加工；著色檢驗(管子與管板角焊縫)。

列管更換完畢后，為保證換管質量，按照氣密試驗-氨滲試驗-著色試驗-水壓試驗-氨滲試驗-著色試驗的程序，對換管后的汽提塔進行整體檢驗。各階段試驗要求見表4。

通過以上試驗，共計發現列管與管板焊接缺陷2處，及時進行了處理。

表4 換管后部分試驗要求

4 氨汽提塔投運效果

氨汽提塔更換部分列管后，氨汽提塔底部介質溫度變化情況見表5。

2016年底大修更換了726根列管后，在負荷接近的情況下，2017年7月與2016年3月相比，尿素界區蒸汽總量F09202由58.9t/h下降到51.9t/h，蒸汽壓力由2.51MPa下降到2.19MPa，但氨汽提塔底部介質溫度T09210由203.9℃反而上升到204.5℃，CO2耗界區蒸汽量由2.2t/kNm3下降到2.0t/kNm3。以上數據變化，充分這說明經過部分換管處理后，氨汽提塔換熱效果得到明顯提高，節省蒸汽量比較明顯。

2017年底大修更換了1 061根列管后，受天然氣供應不足的影響，2018年4月尿素負荷平均只有22.8t/kNm3，負荷降低，蒸汽量有所下降，但每千標方CO2耗界區蒸汽量與2017年7月持平。根據2016年底更換部分列管后的運行數據，2017年底更換部分列管后，如果與2017年7月負荷接近，氨汽提塔換熱效果會進一步提高，蒸汽還會有所節省。

2016年和2017年運行期間，均未出現因氨汽塔泄漏造成尿素裝置停車事件，運行效果較好。

5 結語

氨汽提塔經過近兩年的部分換管后，換熱效果得到有效提高，為氨汽提塔使用年限的延長奠定了基礎。但在換管過程中發現氨汽提塔上管板由于列管腐蝕穿孔，出現了3處腐蝕空洞現象，雖然經過檢修，目前運行良好，但也時刻威脅著此設備的安全穩定運行。在下一步工作中，一要嚴格控制好工藝指標，穩定操作，二要做好此設備的更新工作。