氨合成系统列管式水冷器内漏原因分析

李 进

(湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司，湖北大悟 432818)

湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司合成氨分厂设计能力年产80 kt合成氨装置于2011年9月投产，设计满负荷(3台6M32-180/314型压缩机)日产合成氨240 t。氨合成系统设计压力为31.4 MPa，正常生产时系统压力约为24.0 MPa，配套卧式列管式水冷器(管程压力31.4 MPa，壳程压力1.0 MPa)，开车至今已更换3台相同型号合成水冷器，合成水冷器多次内漏导致紧急停车，直接影响合成氨装置连续稳定运行。

1 工艺流程及主要设备

工艺流程：由氢氮气压缩机六段出口送来的新鲜气，经补气氨冷器冷却后进入油水分离器，分离油水后与氨冷器冷却后的循环气体一同进入氨分离器，分离液氨后的混合气体经循环气压缩机加压后进入循环气油水分离器，分离油水后进入合成塔；反应后的合成气出塔进入废热锅炉，回收热量后去热交换器，换热后再进入合成水冷器及冷交换器，气体温度进一步降低后去氨冷器，与补入的新鲜氢氮气汇合后，然后去氨分离器，如此进行循环[1]。氨合成系统主要设备参数见表1。

表1 氨合成系统主要设备参数

2 存在的问题

该氨合成系统采用卧式列管式水冷器，冷却水走壳程，合成气走管程。2011年9月运行至今，合成水冷器内漏紧急停车22次，已更换3台(1#～3#)相同型号列管式水冷器。氨合成系统水冷器运行内漏情况见表2。

表1 氨合成系统水冷器运行内漏情况

3 原因分析

合成水冷器壳程流体流过换热管时，以特定的固有频率冲击换热管，进而引发振动。当流体引发振动的振幅增大到换热管无法支撑跨距的中部产生碰撞或者在折流板产生摩擦时，会造成换热管泄漏或换热管与管板连接处泄漏，产生过大的噪声和合成水冷器壳程压降增高。监控合成水冷器壳程压降突然增高时，需立即作停车处理，防止安全事故发生[2-3]。诱发合成水冷器管束振动的原因有旋涡脱落、湍流抖振、流体弹性不稳定性、声共振等4种。

3.1 防振措施设计

1#水冷器设备设计时，进水口未设置挡板，高速水流直接冲刷换热管，产生剧烈振动，导致换热管被折流板切断而爆管，属于流体弹性不稳定性导致管束振动引起的。2#水冷器设计时，未能吸取1#水冷器换热管爆管的教训；而在设计3#水冷器内件时，采取了加强预防振动的措施，在进、出水端增加折流杆，增大设备固有频率，提高临界频率，防止水冷器管束振动。

3.2 换热器跨距设计

换热器固有频率和跨距的平方成反比，跨距的减少能明显提高换热器的固有频率，增大临界速率，避免错流速超过临界速率而引起流体弹性不稳定性振动。国内某同规模氨合成装置采用卧式列管式换热器(DN 1 800 mm，长度7 358 mm，F=800 m2)长周期运行后无泄漏；在相同换热面积的前提下，湖北省黄麦岭磷化工有限责任公司3台列管式水冷器设计跨距(长度10 800 mm)比其长3 442 mm，换热器固有频率相对减低，管束振动发生概率增大，易导致换热器损坏。

3.3 运行操作

在合成氨装置开停车期间，温度、压力的升降对合成水冷器造成不同程度的破坏，3#水冷器在2016年4月至7月发生7次内漏，与合成氨装置加减负荷和非计划开停车有直接关系。合成水冷器内漏后，不可避免导致气氨进入循环水系统，虽然经过冷却塔蒸发，但对合成水冷器列管仍会产生腐蚀，促使其发生内漏。

4 结语

在氨合成系统水冷器的选型设计中，要重点考虑换热管束防振措施，在相同条件下要缩小水冷器跨距，以提高水冷器的固有频率，减小流体弹性不稳定性而导致管束振动，降低水冷器发生内漏的概率。

2016年7月后，合成氨系统降低负荷2机生产，同时加强控制冷却水水质，定期添加液碱，保持循环水pH≥7，3#水冷器运行至今未发生内漏。为满足合成氨系统在满负荷3机生产需要，拟采购1台套管式水冷器(F=558 m2，2组套管式换热管组件)作为4#合成水冷器与3#水冷器并联运行，以降低3#水冷器的运行负荷，确保在高负荷、高温下氨合成系统水冷器的冷却效果，达到系统长周期稳定运行的目的。