硝酸装置低压反应水冷器的腐蚀及改进措施

黎志敏

(杭州龙山化工有限公司，浙江 杭州 311228)

近年来，双加压法硝酸装置以其氨耗低、铂耗低、成品酸浓度高和尾气中氮氧化物含量低等优点，逐渐成为我国硝酸行业采用的主要生产工艺，但该工艺装置中的低压反应水冷器设备的腐蚀泄漏问题一直制约着装置的长期稳定运行，严重影响产品的质量和产量。下面以杭州龙山化工有限公司的105 kt/a 双加压法硝酸装置为例，分析探讨该设备的腐蚀泄漏原因及应对措施。

1 设备工况及运行现状

1.1 设备参数

低压反应水冷器外形尺寸:φ1 400 mm ×13 747 mm，壳体材料:20R，换热管材质:304L，换热管规格:φ25 mm×2 mm×11 000 mm，管数:822根，管间距:32 mm，排列方式:正三角形，换热面积:F=702 m2。

1.2 存在的问题

1.2.1 设备容易产生泄漏

该公司的一台φ1 400 mm 低压反应水冷器从2010 年5 月份开始使用2 a 后，换热管由于高温稀硝酸长期的冲刷，每次停车检修都会发现换热管存在不同程度的泄漏。在多次对发生泄漏的管板处及换热管进行焊补后，原总共822 根换热管，已经焊补封堵了120 余根，冷却面积下降15%。由于换热面积减少，造成了NOX气体温度偏高，未封堵前温度为37 ℃，两次补漏后，温度达到42～45 ℃，影响了NOX压缩机提压效率，降低了装置能力;也影响了酸吸收段温度，降低酸吸收效率;同时泄漏后产生的HNO3进入壳程后加速了碳钢设备和管线的腐蚀。

1.2.2 设备维修更换成本高

按照低压反应水冷器的实际使用情况来看，运行3 a 左右就因泄漏严重需要进行更换，由于该设备换热管材质采用的304L 不锈钢，换热面积702 m2总重22 t。若调换一整台设备费用就需120 ×104RMB¥以上，成本很高。

2 腐蚀原因分析

2.1 温差应力

由于低压反应水冷器的换热列管与管板之间采用的是贴胀+强度焊接形式，在胀管处管壁减薄及焊接容易造成残余应力，而设备入口处的NOx气体温度高达170 ℃，循环冷却水的温度约30 ℃，两者之间的温度相差较大，而过大的温差应力极易造成换热管薄弱处腐蚀破损。

2.2 高温冷凝稀酸冲刷

入口处NOX气体温度高达160～170 ℃，出口为40 ℃左右，而该气体的露点温度97 ℃，在冷却过程中不断有冷凝酸产出。按照理论数据及使用经验，超过70 ℃的冷凝稀硝酸对304L 不锈钢的腐蚀比较严重，特别是在高速气流的带动下对管束的冲刷比一般的腐蚀严重。目前进入低压水冷器的NOx气体温度约为160 ℃，所以水冷器的腐蚀主要集中在了前半段。通过对设备的检查，也证实了这一点。

2.3 Cl-聚集导致的腐蚀

设备的换热管采用的是304L 不锈钢，是不耐Cl-腐蚀的，Cl-易引起304L 应力腐蚀开裂。由于采取的常规的管板焊接方法，在管束和管板之间存在间隙，如果循环冷却水中的Cl-浓度较高，容易在间隙死角处产生了Cl-聚集，从而使管子表面形成点蚀或缝隙腐蚀［1］。

3 改造措施及建议

3.1 保证冷却水质量

要严格控制循环水的各项指标，减少悬浮物、杂质等带入，特别是要定期分析Cl-含量防止超标(要求其质量分数不大于100 μg/g);通过壳程的排污口对循环水进行定期排放等措施，同时可在装置停车检修期间进行物理或化学专业清洗，消除污垢。尽量减小换热管与管板间死角处的Cl-聚集，防止应力腐蚀的发生。

3.2 采用先进的制造工艺

一般换热列管与管板之间采用传统的贴胀+强度焊接形式，改为目前比较先进的内孔焊技术。根据使用情况，用内孔焊制造的换热器耐应力腐蚀破裂性能优于未采用内孔焊的换热器［2］。该工艺不仅能提高焊接质量，也能消除换热管和管板之间的缝隙死角，减缓由Cl-聚集引起的腐蚀。

钛材能更好的适应70 ℃的冷凝稀硝酸工作环境，如果在金属市场钛材料价格适中，将前置低压反应水冷器换热器的列管和管板选择为钛材，适当减小换热管壁厚，即能保证换热效果，也能延长使用寿命。

3.3 优化设备结构

可将设备结构设计成中间一个进气口、两端为出气口的结构，将NOx走壳程、冷却水走管程并为多程，同时折流板采用圆缺形状，在整个圆面上布置满管子，并用扁钢条对管束进行固定。这样的结构的改变，可有效解决因冷却水清洗不及时造成的列管结垢，导致列管表面温度升高的问题，从而减少Cl-聚集的机会，避免列管表面硝酸再蒸发现象，减少设备被腐蚀造成事故［3］。

3.4 设备布置形式

在改造方案中将低压反应水冷器分为两段，主要是为了减少后置冷却器的应力腐蚀和高温冷凝稀酸冲刷腐蚀。前置低压反应水冷器入口处气体温度约170 ℃，冷却水温度约30 ℃;而后置低压反应水冷器入口处气体温度约70 ℃，冷却水温度约30 ℃，相对温差减小很多，能很好抑制温差应力腐蚀。同时原设备太长，造成更换成本过高，而现在通过前置冷却器来大大缓解对后面一只低压反应水冷器腐蚀，延长了其使用寿命，如有泄漏只需更换前置低压反应水冷器即可，能减少设备更换和维修成本。

在具体改造实施过程中，考虑到设备投资的问题，换热器的换热管材质还是选用了304L 不锈钢，新换的两台φ1 500 mm 水冷器的热管规格为φ25 mm×5 500 mm，共计948 根，换热面积为401 m2，两台水冷器换热面积共计802 m2。这样换热面积有所增加，保证出口温度的降低。列管数量的增加，降低管内稀酸的流速，减少了对换热管的冲刷程度。

4 结束语

以上改造措施实施后，低压反应水冷器投入运行约2 a 来，均未发现换热管内部腐蚀泄漏问题，有效地保证了硝酸装置满负荷安全稳定运行，提高了工艺气体冷却效果，从而大幅度提高了装置的生产率，保证了产品的质量和产量，是值得行业内推广的优化改造措施。

［1］甄延明，王平，郑守利，等.硝酸装置低压反应水冷器的腐蚀分析及防护对策［J］.化肥工业，2011，38(2):46-47.

［2］秦万庆，陈大雄.内孔焊接在低压反应水冷凝器制造中的应用［J］.压力容器，1991，8(6):72-77.

［3］王全文.双加压硝酸装置中低压反应水冷器泄漏及改进［J］.煤化工，2013(6):37-39.