部分换管技术在氨汽提尿素装置中的应用

(河南能源中原大化公司化肥事业部，河南 濮阳 457004)

河南能源中原大化公司化肥事业部尿素装置，是上世纪80年代引进的第一套大型氨汽提尿素生产工艺，年产尿素52万t，从1990年5月投产以来，已连续稳定运行28年。尿素氨汽提塔是氨汽提尿素工艺中最为关键的高压设备，其运行效果的好环直接影响到尿素整套装置安全高效运行。但随着运行时间的增长，钛材换热管受到不同程度的腐蚀，因换热管泄漏而造成尿素停车的次数在逐年增加，2016年因氨汽提塔泄漏停车3次，所以，利用2016年底和2017年底2次设备大修的机会，采用某公司的部分换管技术，对氨汽提塔部分换热管进行更换，投运以来，2017年和2018年上半年运行期间，此设备运行良好，未出现过设备泄漏、装置停车事件。

1 氨汽提塔

1.1 氨汽提塔设备参数

氨汽提塔(E101)是尿素装置的关键设备之一，直立管壳式换热器，采用上下对称结构，根据设备的腐蚀情况，当上部列管厚度达最小值时，汽提塔上下部可以翻转使用，延长设备使用寿命。汽提塔共安装了2574根钛材换热管，换热管固定在上下管板上，为了使液体均匀地分布到每根管中，在上管板上装有液体分布器，其主要作用是使液体能均匀地分配到每一根换热管中，并在每根管子的管壁上保持一层薄膜，从而达到较好的汽提效果。此设备是整套引进的进口设备，由意大利斯那姆公司设计，意大利新庇隆公司制造。设备参数见表1。

表1 氨汽提塔设备参数

1.2 汽提塔工艺流程

尿素合成塔来的尿液从汽提塔上部尿液进口管线进入，经液体分布器进入每一根汽提管端沿切线方向开出的φ3.2mm的小孔，使在管壁上形成一层液膜流下。经汽提后的尿液从底部经尿液出口管线流出，在塔底部还装有钴60射线液位计，供液位指示调节。汽提气从每根管顶端出来，在上封头内汇集后，经气体出口管线送往高压甲铵冷凝器。为了供给甲铵分解与气化时所需要的热量，在壳侧由上部蒸汽入口管线通入2.2MPa饱和蒸汽，蒸汽冷凝液由下部冷凝液出口管线流出。氨汽提塔见图1。

图1 氨汽提塔

1.3 氨汽提塔工作原理

所谓汽提，就是在保持与合成等压的条件下，在外供热的同时，采用降低气相中氨和二氧化碳某一组分(或二组分)的分压的办法，来分解甲铵的过程。采取的方法现有二氧化碳汽提、氨汽提、双汽提、变换气汽提等。根据相平衡原理，一定温度下的液体混合物中，每一组分都有一平衡分压。设组分i的平衡分压用Pi※表示，当与之液相接触的气相中该组分的分压Pi趋于0时，Pi远远小于Pi※，则组分i将由液相转入汽相，此即为汽提原理。

2 氨汽提塔腐蚀特点及实际腐蚀情况

2.1 氨汽提塔腐蚀特点

尿素汽提塔内的主要腐蚀形式为汽提塔上部汽提管的冲刷腐蚀。汽提塔的上管箱、封头和其他内件为均匀腐蚀，汽提塔的下管箱、封头表面有一层致密而坚硬的垢层，设备的腐蚀状况不明显。汽提塔的进液管、分布器、升气帽、挡液板等均表现为一定的冲刷腐蚀。

汽提管的腐蚀主要表现为管端腐蚀和减薄腐蚀。汽提管管端腐蚀主要表现为密封面上腐蚀坑、腐蚀孔、腐蚀沟槽及管端波浪型缺口。产生此种腐蚀的主要原因是分布器装配过程中，因装配不当导致四氟垫变形、开裂；四氟垫本身尺寸因素，造成汽提管与四氟垫之间、汽提管与分布器之间产生缝隙腐蚀所致。

汽提管减薄腐蚀主要位于距上管口1.5m以内，且愈靠近上管板，减薄愈严重。产生此种腐蚀的主要原因：①该处是蒸汽进口，所以从整根汽提管温度分布来说，该处温度最高，达到220℃，由于温度升高，钛材的耐腐蚀性能有所下降；②该处的汽提作用最强，由于温度高，使得与管壁相接触溶液中气相急剧蒸发，从而形成湍流造成冲刷腐蚀。

2.2 氨汽提塔实际腐蚀情况

按照氨汽提塔检修规程，每年停车检修期间邀请专业公司对汽提塔腐蚀情况进行检测。以2016年和2017年检测情况为例，宏观检查见表2，汽提管涡流检测情况见表3，分布图见图2。

表2 2016年和2017年氨汽提塔腐蚀宏观检测情况统计表

注：此表所检查部位位于汽提塔上管箱，下管箱基本处于均匀腐蚀状态，不再列出。

表3 2016年和2017年氨汽提塔腐蚀涡流检测情况统计表

图2 2016年2017年氨汽提塔列管涡流检测示意

2016年涡流检测，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。有较大腐蚀减薄的列管在管板上分布有一定的规律，管板前后及两侧边缘区域的列管壁厚值较薄，中间区域的列管壁厚较厚。单根列管来看，腐蚀减薄区域在管口至距管口1～1.5m范围内；上、下部的最薄点分别是两侧距管口430mm左右。

2017年涡流检测，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年对列管上下进行部分更换。

2017年对取出的管号为13～2上部列管进行剖开处理，实际列管腐蚀情况见图3，根据实际测量数据，绘制得列管壁厚示意(见图4)。

图3 列管上部实际腐蚀情况

图4 列管上部壁厚示意

从实测数据可知，在距上管口125mm处，列管内壁出现较为严重的沟槽现象，在距上管口384mm，列管内壁呈现加速腐蚀现象，到距上管口600mm处，列管壁厚恢复到许可范围。通过对工艺介质流向及设备结构，产生沟槽的主要原因，一是管内壁结垢，介质经液体分布器后呈切线分布，形成液膜，力量随着距离的下移逐步减弱，最终停留在垢层的上方，周而复始形成环向沟槽，随着负荷的变化，环向沟槽在不停地下移；二是汽提管上均匀分布3个小孔，受到介质冲刷、腐蚀，孔径在不断增大，或更换新管后，管内阻力降在不断变化，管内产生的沟槽深浅不一；三是密封垫四氟圈尺寸不合适，有内漏现象，介质走短路，管内阻力降在不断变化，管内产生的沟槽深浅不一。其他同类型的装置汽提管沟槽现象更为严重(见图5)。

图5 某厂氨汽提塔列管沟槽

3 氨汽提塔列管部分更换

3.1 列管部分更换技术

氨汽提塔列管规格为φ27×3.5mm，在小管径上进行新旧列管对接焊接，需要采取双面焊，才能达到与新管一样的强度。2003年以前只有国外部分公司掌握此技术，2003年某公司结合实际检修经验与理论研究，掌握了此种小管径对接双面焊的接管技术，并成功应用到氨汽塔列管管头更换、氨汽塔列管部分更换工作中，设备投运后，运行良好，使用年限大大延长，节省了较大费用投入。鉴于此项技术的成功应用，经过实地考察，并结合我厂氨汽塔实际腐蚀情况，决定对氨汽提列管采用此技术进行部分更换，以确保氨汽提塔的安全稳定运行。

3.2 氨汽提塔列管部分更换情况

2016年底大修期间，根据列管壁厚测量结果，列管上下各截取750mm的旧管更换成同样材质及厚度的新管，对上部壁厚值≤2.3mm及下部壁厚值≤1.7mm的469根列管优先更换，然后根据检修时间及腐蚀减薄情况，对其他257根共计726根列管进行换管。2017年底对上部壁厚值≤2.75mm的608根列管，管板内有缺陷的93根，共计701根列管优先更换，由于天然气供应紧张，装置开车推迟，检修时间延长，对尿素氨汽提塔换管计划进行追加，到2018年2月大修结束时，共计大修期间更换1 061根。两年共计更换列管1 787根，占全部列管的69.4%。

氨汽提塔列管更换主要工艺步骤：①去除上、下管板的管端及连接焊缝(堵管的列管先去除堵头)；②加工管板内的贴胀部分管段；③将列管拔出；④切除薄减部分管段。⑤新管段与旧管组装、焊接；⑥列管对接焊缝检验；⑦回装对接焊列管；⑧焊接管子与管板焊缝；⑨空气试漏；⑩胀管；管端加工；着色检验(管子与管板角焊缝)。

列管更换完毕后，为保证换管质量，按照气密试验-氨渗试验-着色试验-水压试验-氨渗试验-着色试验的程序，对换管后的汽提塔进行整体检验。各阶段试验要求见表4。

通过以上试验，共计发现列管与管板焊接缺陷2处，及时进行了处理。

表4 换管后部分试验要求

4 氨汽提塔投运效果

氨汽提塔更换部分列管后，氨汽提塔底部介质温度变化情况见表5。

2016年底大修更换了726根列管后，在负荷接近的情况下，2017年7月与2016年3月相比，尿素界区蒸汽总量F09202由58.9t/h下降到51.9t/h，蒸汽压力由2.51MPa下降到2.19MPa，但氨汽提塔底部介质温度T09210由203.9℃反而上升到204.5℃，CO2耗界区蒸汽量由2.2t/kNm3下降到2.0t/kNm3。以上数据变化，充分这说明经过部分换管处理后，氨汽提塔换热效果得到明显提高，节省蒸汽量比较明显。

2017年底大修更换了1 061根列管后，受天然气供应不足的影响，2018年4月尿素负荷平均只有22.8t/kNm3，负荷降低，蒸汽量有所下降，但每千标方CO2耗界区蒸汽量与2017年7月持平。根据2016年底更换部分列管后的运行数据，2017年底更换部分列管后，如果与2017年7月负荷接近，氨汽提塔换热效果会进一步提高，蒸汽还会有所节省。

2016年和2017年运行期间，均未出现因氨汽塔泄漏造成尿素装置停车事件，运行效果较好。

5 结语

氨汽提塔经过近两年的部分换管后，换热效果得到有效提高，为氨汽提塔使用年限的延长奠定了基础。但在换管过程中发现氨汽提塔上管板由于列管腐蚀穿孔，出现了3处腐蚀空洞现象，虽然经过检修，目前运行良好，但也时刻威胁着此设备的安全稳定运行。在下一步工作中，一要严格控制好工艺指标，稳定操作，二要做好此设备的更新工作。