不锈钢换热管在氯气冷却中的应用

2020-11-01索延波

氯碱工业 2020年7期

索延波

(滨化集团股份有限公司，山东滨州 256600)

中间冷却器是氯气压缩输送中的一个重要的组成部分。当高速运行的叶轮对氯气进行加压后，根据能量守恒定律，气体温度升高。氯的化学性质非常活泼，常温干燥的氯对碳钢腐蚀很轻，碳钢材料在高温干氯中连续使用的最高温度为200 ℃。当压缩后的氯气温度超过200 ℃后，会剧烈腐蚀碳钢，损坏透平压缩机。因此，在每一级压缩后须对氯气进行冷却降温，再进入下一级压缩。中间冷却器便是氯气冷却降温的主要设备。

滨化集团股份有限公司化工分公司(以下简称“滨化化工分公司”)2004年12月开始使用透平压缩机取代硫酸液环式纳氏泵。该透平机为三级压缩三级冷却，出口氯气压力为0.38 MPa，压缩后直接送至下游环氧丙烷生产装置。透平压缩机主机、油系统为德国进口，中间冷却器为国产设备。自使用该透平机以来，整体运行良好，但也发生了4次中间冷却器内漏事故，造成了氯碱装置及下游装置的系统性停车。

1 中间冷却器的制作

中间冷却器采用固定管板、卧式列管换热器，属Ⅲ类压力容器，设计标准依据为GB 150.1～150.4—2011 《压力容器》、GB 151—2014 《热交换器》、TSG 21—2016 《固定式安全技术监察规程》。壳程介质为干燥Cl2(含水质量分数小于6×10-5)，材质Q345R，设计压力1.8 MPa，设计温度120 ℃，操作压力<0.38 MPa，操作温度115 ℃；管程介质为循环冷却水，材质20#钢，设计压力1.0 MPa，设计温度100 ℃，操作压力0.3 MPa，操作温度40 ℃。壳程筒体、管板、换热管焊接完成后，整体进行炉内消除应力热处理。设备制作完成后,对管程换热管进行TH-847内部防腐处理。

2 中间冷却器内漏及原因分析

2015年7月12日,滨化化工分公司氯气压缩系统中间冷却器第4次出现内漏后，为查找换热器内漏的原因，对泄漏换热器进行解剖分析。共拆检2根换热管，其中1根为泄漏换热管。泄漏换热管的位置距管板约1.5 cm处，拆检情况如下：选取换热管规格为Φ19×2，用壁厚检测仪检测泄漏换热管壁厚为1.92 mm、1.94 mm、1.95 mm；与没有泄漏的换热管进行对比(泄漏换热管外表见图1、泄漏换热管内壁见图2，没有泄漏的换热管的外表见图3)，换热管内外比较光滑。以上结果表明腐蚀不严重。

图1 泄漏换热管外表

图2 泄漏换热管内壁Fig.2 Inner wall of leaked exchange tube

分析认为，孔蚀是换热管腐蚀内漏的主要原因。处于电解质中，金属表面的某些特定点会产生瞬间很高的金属溶解速度。这些点有可能是金属表面划痕处、晶格缺陷等。当介质中含有某些活性阴离子(例如Cl-)时，这些阴离子将被吸引到呈正电性的高速溶解区(阳极区)，从而加速了该点的腐蚀速度，形成孔蚀源；孔蚀源形成后，金属在蚀孔内的高速溶解使蚀孔内产生过多的正电荷，使Cl-不断迁入，以维持电中性[1]，因此，蚀孔内会产生高浓度的金属氯化物溶液。又由于氯化物的水解作用，使孔内溶液的pH值下降，酸性增强，产生高浓度的H+。 H+和Cl-均能促进大多数金属的溶解，整个过程随时间而加速。而阴极区却得到了保护，无腐蚀痕迹。

图3 没有泄漏的换热管外表Fig.3 Outward appearance of non-leaked heat exchange tube

3 改进措施

根据透平机中间冷却器所处工况，分析使用以来出现的内漏情况，一级、二级中间冷却器使用寿命在4年左右，三级中间冷却器使用寿命在3年左右。针对换热管孔蚀情况，采取了以下措施。

(1)查阅常用金属材料耐干氯气的腐蚀性能[2]，不锈钢材质能在干氯气中使用，不锈钢材质在循环水中的耐腐蚀性能优于碳钢材质。因此，借2018年6月停车大修的机会，更换了三级中间冷却器，在换热器设计标准规范不变的情况下，将换热管20#材质换为304不锈钢材质。

(2)采用先进检测技术，加强换热管腐蚀监控，发现隐患及时维修。在2018年6月停车大修时,滨化化工分公司采用涡流探伤对换热管逐根检测，发现一级中间冷却器一根换热管腐蚀缺陷在30%，二级中间冷却器一根换热管腐蚀缺陷在70%，因此，对二级中间冷却器进行更换，一级中间冷却器监控运行，并计划下一大修周期时根据运行情况进行更换。

(3)严控冷却水腐蚀速率，每月取样分析挂片的腐蚀情况，将不锈钢腐蚀率控制在低于0.005 mm/a，碳钢腐蚀速率控制在低于0.075 mm/a；

(4)做好每一级中间冷却器冷却回水管ORP的监控。在ORP值异常变化时，快速、正确判断换热器是否内漏，做到积极应对。