耐腐蚀设备泄漏分析

2013-09-19任夫健凌永社

石油化工腐蚀与防护 2013年2期

任夫健，凌永社

(防化研究院，北京102205)

钢衬聚四氟乙烯(F4)和石墨材质是化工上常见的两种耐腐蚀性最好的材质，以之加工的设备，通常不会发生腐蚀泄漏，如发生泄漏，十之八九是设计、加工和使用不当造成的。

聚四氟乙烯，俗称塑料王，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学介质的腐蚀。耐热性、耐磨性良好。耐气候、耐老化性极好，不吸水、不粘、不燃。电绝缘性能优异，对光辐射有很高的反射率。抗蠕变性差，连续载荷作用下易发生塑性形变(冷流)，回弹性差，弯曲强度和压缩强度低。在化工上常用作重防腐设备的衬里，加工方式以松衬为主［1］，即采用F4料带缠绕在模具上，烧结成型，以松衬方式衬装在钢壳内壁。在衬装时为方便排出F4衬里与钢壳之间缝隙内的空气，事先在钢壳上打若干小孔。钢衬F4设备连接方式为法兰，F4翻边作密封面。常见的钢衬F4设备有容器类、塔器类等。

石墨，具有良好的导热、抗腐蚀、耐辐射、耐高低温等特点，呈黑色，有金属光泽，具有良好的润滑性，性脆，强度较低。常用于制作换热器［2］。石墨换热器是将石墨用酚醛树脂等浸渍使成不透性，然后做成管状、板状或块状。石墨设备为防止磕碰，常带有碳钢外壳。石墨设备连接方式为法兰连接，密封面为石墨管的端面，其凸出碳钢法兰平面少许。

某厂磷酰卤车间精馏工段发生泄漏的装置，选用非标的钢衬F4设备和标准的石墨设备等组装成生产装置，在生产过程中，发现了内漏——隐形泄漏［3］，好像是腐蚀引起，但理论与实践经验表明，所选设备材质耐磷酰卤腐蚀，不会发生腐蚀泄漏。经调查、分析，发现为非腐蚀因素引起的泄漏。

1 工艺装置

工艺装置，由精馏釜、精馏塔、冷凝器、产品罐和干燥罐组成(见图1)。精馏釜材质为哈氏合金;精馏塔和产品罐材质为钢衬F4，精馏塔内装石墨拉西环填料;冷凝器材质为石墨;干燥器为碳钢，内装无水氯化钙干燥剂。其中，除冷凝器为标准的圆块孔式石墨换热器外，其它均为非标设备。常压、间歇操作。

将一批物料一次性加入精馏釜，调节精馏釜夹套蒸汽压力加热物料，上升物料蒸气通过精馏塔分离，塔顶物料蒸气经冷凝器冷凝，冷凝液开始全回流返回精馏塔顶，待稳定一段时间后，部分回流，部分采出放入产品罐。

在操作过程中，加热蒸气压力由PI01压力表监视，精馏釜温与精馏塔顶温分别由TIO1和TI02两个热电阻测温计监视，回流流量由FI01转子流量计监视，产品罐液位由LI01顶装式液位计监视。

2 泄漏现象

在某批物料精馏过程中，产品罐液位显示采出产品远未达到应有的数量，但是精馏釜温度业已超出正常的温度范围，而塔顶温度逐渐降低。检查冷凝器冷冻盐水，未见异常;检查干燥器放空管道上阀的状态，未见异常;校核产品罐已接受产品，确认远未达正常数量。在此情况下，怀疑冷凝器发生了内漏——隐形泄漏。为了验证判断结果，关闭精馏釜夹套加热蒸汽阀，关闭采出产品阀，实施全回流，发现精馏釜釜温和塔顶温在逐渐降低，但“回流”一直存在，且回流流量似乎保持稳定的数值，关闭冷冻盐水进出阀，流量才降至零。至此，确认冷凝器发生了内漏，冷冻盐水混入物料体系，通过转子流量计进入精馏塔内。磷酰卤遇水极易水解，放出大量的热，生成高沸点的磷酸和卤化氢，后者通过干燥器放空管路逸出，磷酸难以蒸出留在精馏釜内。在精馏过程中发生冷冻盐水内漏进入精馏塔，由于盐水温度低，故塔顶温度降低;由于精馏釜在不断地加热且磷酰氯水解放热，故出现精馏釜温偏高的异常现象。

图1 精馏工艺流程Fig．1 Distillation process

在某批物料精馏过程中，发现产品罐底部的地面上有少许液体，进一步检查发现该液体是从产品罐钢壳上的小孔泄漏出的产品。显然，F4衬里发生了泄漏，产品进入F4与钢壳之间的缝隙，进而从排气孔漏出。

3 原因分析

将石墨冷凝器拆开检查，发现顶部物料蒸汽进口法兰密封面处有裂纹，裂纹向纵深延伸。发生破裂的原因经分析有三:(1)在安装时，所连物料蒸汽接管法兰密封拧紧力太大，直接将法兰的石墨密封面挤压近乎破裂;(2)在使用过程中，由于物料蒸汽进料管较热，发生热膨胀，管路上又无波纹膨胀节等应力消除设施，产生应力挤压石墨法兰密封面加剧其破裂;(3)冷冻盐水压力不稳，如压力提高超过石墨冷凝器所能承受的压力，也可能造成石墨接管破裂。石墨冷凝器管程高温流体(物料介质)为常压，壳程低温流体(冷冻盐水)压力为0.2～0.3 MPa，管程压力小于壳程压力，故在石墨接管破裂向纵深延伸后，壳程盐水漏入管程物料体系中。

钢衬F4设备因设备衬里是用F4料带压半圈缠绕烧结而成的，为一整体，通常不会发生泄漏，如有泄漏百分之百发生在设备衬里与接管衬里焊接处，因F4的焊接性能较差，焊接处无疑是最薄弱部位。产品罐发生了泄漏，因只有底部和顶部有接管，在泄漏发生时并未盛满产品，故判定是下出口接管衬里与设备衬里焊接处发生了泄漏。拆开检查，发现下接管衬里在设备衬里上的翻边处，有60°角稍微翘起，用水试验确认该翻边翘起处就是泄漏源。产品罐在使用过程中发生泄漏，显然跟使用的关系极大。产品经由石墨冷凝器冷冻盐水冷凝冷却后直接进入产品罐，由于冷冻盐水温度很低，致使产品温度也较低，进入产品罐后接触F4衬里致其发生冷流蠕变。间歇操作，在一批物料放出后，衬里恢复常温，原先冷缩的衬里又发生热涨，但回弹性差，恢复不到原来的状态。热压焊将接管衬里与设备衬里简单地叠加压合在一起，在受到冷热温度冲击产生热胀冷缩应力反复撕裂衬里焊接处，久之难免发生泄漏。

4 预防措施

石墨性脆，易发生破裂，应像对待玻璃设备一样对待石墨设备。石墨设备接管法兰垫片不要选择硬质的金属、F4或F4夹层的石棉垫片，宜选用软质的橡胶垫片或橡胶外缠绕F4生料带的垫片;在用螺栓紧固时，要使各方位受力均匀，最好用带有扭矩显示的扳手拧紧，尤其要注意拧紧力不能太大，以免挤碎密封的法兰面;在可能有热应力的管道上设置波形膨胀节;如冷冻盐水压力波动范围较大，超过石墨设备的设计压力，可在盐水进口管道上设置减压阀。

F4设备的特点是难于焊接，不便加工。在设计钢衬F4设备时，应尽量减少接管，尤其是设备底部接管，以减少焊接;在加工时，如接管衬里与设备衬里之间采用热压焊，应注意焊接部位受热受压要均匀，为确保焊接牢固，再在焊缝处用具有良好热塑性的可溶性聚四氟乙烯树脂(四氟乙烯与全氟丙基乙烯基醚共聚物，简称PFA)焊接予以加强;在使用时尽量避免压力、温度大幅变化，以防产生应力，撕裂焊接处等薄弱部位。钢衬F4产品罐，如果采用顶部插底管出料，如果衬里焊接方式采用PFA辅助热压焊，如果石墨冷凝器冷媒改用室温的自来水，相信不会发生泄漏事故。