高压甲铵冷凝器管板损坏原因分析及维护措施

石新光

（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）

高压甲铵冷凝器管板损坏原因分析及维护措施

石新光

（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）

通过分析高压甲铵冷凝器管板损坏的原因，总结检修和改造经验，从机械和工艺两方面提出维护措施建议，以确保高压甲铵冷凝器稳定运行。

高压甲铵冷凝器；管板；损坏；原因；维护措施

中海石油化学股份有限公司二期尿素装置采用斯塔米卡邦改进型二氧化碳汽提工艺，生产能力为 2700 t/a，2003 年 9月建成投产。该装置投产后一直运行较好，投产14a，300d 以上超周期运行有三次，最长 366d，最高年产量 90.5万 t。随着运行时间的递增，设备因老化、腐蚀、检修质量等原因，逐渐出现一些故障，影响了装置的长周期运行。其中高压甲铵冷凝器管板经过严重的冲刷腐蚀在2016年3月26日发生泄漏，经专利商 Stamicarbon 公司“挖空 -三维扫描管板对焊层 -数控加工钢板 -找平、贴补层板”的修复方案，历时105d 的连续抢修，完成了管板临时性修复。

1 设备简介及用途

高压甲铵冷凝器（位号 ：303C）是二期尿素装置四大核心高压设备之一（图1）。该设备为液相浸没式 U 型管的换热器，列管采用特殊的“内孔焊”技术。来自二氧化碳汽提塔302C的气相通过一个等长的喷射器使气相均匀分布在液相中，与来自高压氨泵304J的氨和高压甲铵洗涤器304C 的甲铵液在高压甲铵冷凝器303C 中反应。高压甲铵冷凝器工艺介质走壳侧，锅炉给水循环水泵 321J/JA 打来的蒸汽冷凝液走管侧，移走工艺侧的气相冷凝以及甲铵生成反应所放出的热量，使部分的蒸汽冷凝液形成低压蒸汽来供应尿素装置所需。

图1 高压甲铵冷凝器303C流程简图

U 型管束连接到管板的内侧，采用内孔焊焊接技术。圆筒壳体采用多层板技术，壳体与球型封头均内衬 8mm 厚 25-22-2 不锈钢衬里。其设备性能参数和运行参数见表 1、表2。

表1 高压甲铵冷凝器（303C）设备性能参数表

表2 高压甲铵冷凝器（303C）的运行参数

2 高压甲铵冷凝器（303C）发生泄漏经过

2016年 3 月 26日 2 ：00，二期尿素装置蒸汽冷凝液四块电导仪 ：AI3131、AI3212、AI3206、AI3132 指示同步出现上涨，当班班组进行系统调整和检查没有结果，初步判断为系统有内漏发生。部门立即组织各级人员对尿素装置蒸汽系统、冷凝液系统、相关设备、吹扫蒸汽、夹套、疏水器、冲洗水、N/C 分析仪等进行全面排查 ；同时大幅降低高压系统负荷，蒸汽冷凝液进行就地排放，经应急处置3月26日24 ：00电导稳下来了 ：312D 液相电导 AI3206 31.47μS/cm，外送冷凝液电导 AI3212 89.48μS/cm，透平冷凝液电导 AI3132 96.06μS/ cm，而高压汽包319D 和中压汽包320D 冷凝液电导没发生明显变化。见蒸汽冷凝液系统图2。

3月27日对尿素各等级蒸汽进行取样对比，发现312D 气相冷凝液电导最高为 212μS/cm，氨含量 99.1mg/L，液相电导稳定在30～35μS/cm，初步判断为303C 内部泄漏。随后逐一断开各换热器冷凝液管线进行取样分析，3月30日上午将系统蒸汽冷凝液进入蒸汽冷凝液槽303F总管断开，改为就地排放（系统污染蒸汽冷凝液全部就地排放），312D补水为新鲜脱盐水。312D顶部出汽电导值平均在227μS/cm、氨含量平均在116mg/L，液相电导平均在35μS/cm、尿素含量平均在3.791mg/L，最终确定为303C发生了内漏。

图2 蒸汽冷凝液系统流程图

4 月 1 日公司与 303C 专利商 Stamicarbon 进行首次视频交流，专利商认为303C 泄漏可能性极小，要求继续排查，即使泄漏，最大的可能也是“内孔焊”焊缝部位的微漏，蒸汽及冷凝液会带走工艺介质，短时间不会造成设备损坏，最终于4月7日二期尿素停车检修。4月9日经内部检查发现高压甲铵冷凝器303C 出现如下损坏 ：

1）蒸汽侧出口碳钢管板大面积空穴、穿孔，穿孔区域位于接近堆焊层的碳钢管板，沿管孔方向130mm（碳钢管板设计厚度400mm）（图3）；

2）出口管板管孔孔径变大。经测量上部管板（蒸汽出口侧）孔内径最大27mm，最小22mm。相对于原设计19mm，孔径变大，管板强度降低；

3）上部管板堆焊层变形。因管板碳钢部分形成孔洞失去承压作用，致使12mm 厚的不锈钢堆焊层受压变形，最大变形尺寸达到40mm ；

4）从壳侧进入管箱发现上部列管、管束拉杆、堆焊层管板变形，管束异常移位（图4）。

图3 碳钢板穿孔管孔内部联通

图4 管束移位图

3 管板报废性损坏发生的原因分析

1）Stamicarbon 在设计时没有充分考虑到流速及气液两相流的冲刷严重性（化八院核算流速为 48m/s，安全边际应低于30m/s。），这是造成冲刷腐蚀的主要原因。

2）Stamicarbon 没有要求在工艺上要求低压汽包 312D 蒸汽冷凝液的溶解氧和 pH 值指标，2016年4月份303C 发生故障后，专利商才提出要求在尿素装置监控冷凝液溶解氧和pH值。

3）专利商 Stamicarbon 对 400mm 厚的管板材质没有明确要求，致使制造商 SBN 在该设备上使用了耐冲刷性能较差的20Mn5V 碳钢材料。

4）换热管与管板的对接焊位置有明显凸出管壁内表面的焊缝接头存在，这会在其下游（即碳钢与堆焊层界面附近）留下明显的空蚀隐患。

5）管板列管内的侵蚀产物（图5）和长期冲刷形成的鱼鳞状冲刷蚀坑（图6）都加剧了管板列管中蒸汽冷凝液和蒸汽的湍流程度，加剧了冲刷腐蚀。

图5 堆积状侵蚀产物

图6 鱼鳞状冲刷坑蚀

当碳钢层内部管壁逐渐减薄至穿孔时，其强度持续下降，由于壳程-管程间存在巨大的压差，导致与高压相接触的堆焊层不断变形并向已掏空的碳钢侧凸起，但是由于拉筋的存在（用于在壳程固定管束），致使边缘的拉筋位置处无法同步变形，因此在拉筋位置的下方管桥处造成了局部应力过高，最终导致管束移位，堆焊层变形、产生裂纹（图7），303C 高压甲胺液漏入冷凝液系统，引起监控电导的异常上升。

图7 着色后管板裂纹

4 高压甲铵冷凝器的修复及技改措施

由于管板损坏严重，在同类设备中尚未首例，公司委托专利商 Stamicarbon 确定了管板切除后，挖空损坏的管板，机床冲铣找平后并三维扫描挖空管板处，用3D打印技术制作层板，然后层板叠加焊接和胀管的修复方案进行修复，由生产商 SBN 和外围检修单位，历时105d 的连续抢修，完成了管板的临时性修复。由于高压甲铵冷凝器上管板没有严重的冲刷腐蚀，决定原来的下管板进水改为上管板进水，并将低压汽包的气相和液相都增加了在线电导分析，来检测高压甲铵冷凝器的运行情况（见图8）。

图8 高压甲铵冷凝器修复后的工艺流程简图

5 修复后的维护措施

为了最大限度地保护303C 的运行安全，从机械和工艺方面考虑制定了以下维护措施：

5.1 开车时

（1）为了使303C 堆焊层壳侧内表面持续承压，不向高压侧凸起变形，只要运转 321J/JA 泵，就必须确保高压系统压力不低于0.4MPa。

（2）任何工况下要确保303C 压力大于312D 压力。

（3）冷态运转控制312D 蒸汽冷凝液循环量 FI3210指示在353t/h，当 303C 开始副产蒸汽时，根据产汽量，按气液比 0.33进行调节锅炉给水泵的循环量。

（4）312D 汽包升温、升压要缓慢，杜绝出现水击 ；严格控制303C、312D 升温速率小于20℃ /h。

（5）高压系统投料时、为了防止高压系统压力上升过快，以50% 或更低的负荷投料，确保高压系统压力缓慢上升，按3～4h达到13.0MPa来操作，负荷的调整以压力上升速度为基准。

5.2 正常生产中

（1）任何时候，高压系统压力控制要求低于14.0MPa 操作，杜绝超压运行，如果出现压力失控，第一时间封塔；

（2）确保高压系统压力不大幅度波动，系统加减负荷必须缓慢，原则上在受控状态下，加减负荷幅度为每小时不超过10% ；

（3）严密监控好312D 顶部蒸汽电导 AI3026A，出现上涨时要第一时间向部门汇报；

（4）根据 Stamicarbon 的报告，控制好在线表 312D 蒸汽冷凝液 pH ≥ 9.0，溶解氧含量（0～200）×10-6；

（5）中化溶解氧和 Fe3+分析暂定每天白班分析1次，冷凝液中 Cr、Ni、的分析暂定每周分析1 次。

5.3 停车后

（1）封塔停车时，要控制好高压系统压力不能下降过快；（2）如果必须排塔，严格控制排塔速率≤ 2.0MPa/h ；

（3）系统降压至0.6MPa 时，将中压蒸汽送入高压系统进行钝化，确保303C 压力大于312D 压力。

6 结束语

高压甲铵冷凝器作为尿素装置四大高压设备之一，其修复后的管板力学性能和安全系数会有所降低，操作上一定要精心维护，避免高压系统负荷和压力大幅度波动，要加强对低压汽包气液相电导的关注，当低压汽包气液相电导上涨后，要及时汇报并采取系统紧急停车，避免事故进一步恶化。

Analysis on the Damage Causes of HP Ammonium Carbamate Condenser Tube Sheet and Mmaintenance Measures

Shi Xin-guang

Analyzes the cause of damage of tube plate of HP ammonium condenser tube sheet，summarizes the experience of overhaul and reconstruction，and puts forward some suggestions for maintenance measures from two aspects of machinery and process，so as to ensure the stable operation of HP ammonium carbamate condenser.

HP ammonium condenser；tube sheet；damage ；analysis ；maintenance measure

TQ113.251.5

：A

：1003–6490（2017）07–0006–03

2017–05–15

石新光（1980—），男，河北邯郸人，助理工程师，主要从事化工操作工作。