双相钢在合成氨空压机组段间设备上的应用

吴保民，王 强，吴保军

(锦西天然气化工有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125001)

锦西天然气化工有限责任公司(以下简称锦天化)合成氨装置100E3和100V2分别是工艺空气压缩机的第二段间冷却器和分离器，从1992年投用，到2003年之前，100E3因工况恶劣、设计不合理、换热管泄漏等原因导致换热能力不足，先后更换5台冷却器。2002年之前，100V2运行基本正常，腐蚀也在正常范围之内，但自2002年以后，随着机组段间冷却器100E3换热能力的下降，只能临时采用壳体外部保温拆除喷淋降温，周围环境水汽增大，这也造成100V2的内部含水量上升，从而导致腐蚀严重，每次检修都发现有大片腐蚀疏松层脱落。经查找相关资料，对比分析后发现，同时要满足高温高湿及氯离子腐蚀的材料，可采用双相不锈钢00Cr18Ni5Mo3Si2，相当于瑞典3RE60，属于第一代双相不锈钢，故决定采用这种双相钢作为主要过流部件，委托哈尔滨703所设计制造，于2003年检修时先后更换，至今运转正常。

1 设备简介

1.1 工艺条件

锦天化工艺空气压缩机为二段转化炉提供工艺空气。工艺空气经入口过滤器100F1过滤后，被一级叶轮压缩至0.12 MPa、123℃的空气进入一段冷却器100E1，温度降至42℃，并进入一段分离器100V1，经二、三级叶轮压缩至0.857 MPa、257℃后，进入二段冷却器100E3，温度降至42℃，并进入二段分离器100V2，然后进入第四级叶轮继续压缩，经四段压缩至3.32 MPa、227℃后，在一段炉对流段中预热到510℃送入二段转化炉。工艺流程见图1。

1.2 设备参数

(1)原始的二段冷却器100E3规格：(直径×壁厚×长度)Φ1 376mm×14mm×7 805mm；材质：壳体SA516Gr.70；换热管SA179，Φ19.05mm×2.1mm，共613根；制造厂：法国德西尼布公司。

改造后二段冷却器100E3：规格：(直径×壁厚×长度)Φ1 924(mm)×12(mm)×8 362(mm)；材质：壳体20g；换热管00Cr18Ni5Mo3Si2，Φ22(mm)×1.5(mm)，共1 264根；制造厂：哈尔滨703所。

(2)二段分离器100V2。设备规格为Φ1 768 mm×4 780 mm，壳体及封头壁厚δ=16mm，改造前材质为16MnR，改造后材质为00Cr18Ni5Mo3Si2。工艺参数见表1。

表1 二段冷却器、二段分离器工艺参数

2 设备故障情况

100E3自投产以来，因工况比较恶劣造成换热管泄漏，先后进行过5次更换，主要是因为设计不合理，导致换热能力不足，同时工艺空气中所含的氯会对换热管产生应力腐蚀。随着100E3换热能力的下降，只能临时采用壳体外部喷淋降温，造成100V2的内部含水量上升，导致碳钢支架均匀腐蚀，产生铁锈，同时不锈钢除沫网也存在氯离子腐蚀，铁锈及断裂的钢丝对空压机四级静导叶及叶轮进行冲刷，造成静导叶和叶轮叶片的腐蚀减薄，既存在叶片断裂的风险，也降低了压缩机的效率。2003年改造之前，对100E3更换过5次。

(1)1992年，法国德西尼布公司给设备制造商提供的环境相对湿度是62%，而锦天化夏季现场的相对湿度平均值是82%，高于设计值，这就意味着减小了设备的换热面积，导致换热能力降低。

(2)1995年，法国德西尼布公司重新设计制造该设备，换热管采用的是U形管，虽增加了一些换热能力，但换热管材质未改变，腐蚀问题仍未解决。

(3)1997年，借鉴国外经验国内设计制造，换热管采用的是304材质的波节管，运行环境中存在腐蚀介质产生应力腐蚀，造成换热管开裂泄漏。

(4)1998年，根据使用过程中存在的问题，再次采用国内设计制造，将换热管由原来的波节管改为翅片管，虽增大了换热能力，但材质仍旧是304。

(5)1999年，对换热管材质进行了改造，由国内设计制造，选取了一种抗高温、氧化性能比较好的20g作为换热管材质，仍未从根本上解决换热管的腐蚀问题。

根据上面5次出现100E3换热管泄漏的情况和100V2的罐内腐蚀的情况，经过技术讨论后，提出将冷却器换热管和分离器罐体的材质改为双相钢以抗氯离子腐蚀。

3 腐蚀原因分析

由于100E3临时采用壳体外部保温拆除喷淋降温，造成外部环境湿度增大，大量水蒸气夹带进入机组中，造成100V2的内部含水量上升，加剧了罐内的腐蚀。检查100E3换热管的裂纹以及100V2中间除沫网(主要材质为304钢丝)的碎丝，发现表面上都有虫咬式的腐蚀痕迹。经分析，认为主要原因是附近存在化工厂氯碱装置，偶尔会(间断)有氯气释放，空气介质中确实存在氯气污染，Cl-含量约2.45%，少量氯气和氯化氢气体伴随空气通过入口过滤器带入压缩机中，造成不锈钢换热管及除沫网的应力腐蚀破坏。

4 改进措施

综上分析，两台设备的腐蚀原因为外表面的干湿交替区域聚集浓缩氯离子，在氧、氯等的促进作用下，在100E3换热管及100V2罐内，304不锈钢金属的外表面产生孔蚀和应力腐蚀裂纹。100E3扩展到管的内壁，导致换热管发生腐蚀泄漏，100V2罐内疏松层的脱落及除沫网的碎丝，导致机组第四级入口的杂质增多。因此，尽量减少空气中液态水的携带量，避免出现干湿交替区域，而无法控制空气中氯和氧的含量，只能选择更耐氯化物孔蚀和应力腐蚀的材料。由于一般的奥氏体不锈钢对氯化物十分敏感，因此在以孔蚀、缝隙腐蚀为起源而引起氯化物应力腐蚀断裂的介质中，新型铁素体—奥氏体型双相不锈钢的应用尤为有效，它既耐均匀腐蚀，又具有良好的抗孔蚀及应力腐蚀能力。

双相不锈钢是固溶状态铁素体相和奥氏体相大约各占一半，集铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢优点于一身的特殊钢种，自上世纪30年代瑞典研制出双相不锈钢以来，其已经发展到第三代。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢具有耐腐蚀能力强、塑韧性好、焊接性能优良等特点。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢不仅抗氯化物应力腐蚀能力强，而且强度明显高于奥氏体不锈钢，屈服强度可达400～550MPa，是普通不锈钢的2倍，因此，可以有效降低压力容器的设计厚度。由于双相不锈钢具有以上这些优异的性能，已经被广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域。

根据100E3更换5台后换热管的泄漏情况以及100V2的罐内腐蚀情况分析，决定采用00Cr18Ni5Mo3Si2钢作为冷却器换热管和分离器罐体的材料。00Cr18Ni5Mo3Si2钢是上世纪70年代我国根据当时的生产条件，开始研制的第一代双相不锈钢。在抗腐蚀方面，特别是在氯离子含量较高的介质环境中，它的耐均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀性能明显优于普通的奥氏体不锈钢。

双相不锈钢的抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力主要取决于Cr、Mo、N元素的含量，采用耐点腐蚀指数PREN来评价。其值越高，抗局部点蚀的能力越强。

耐点腐蚀指数PREN=Cr%+3.3×(Mo%+0.5×w%)+16×N%

5 结语

100E3换热管与100V2罐体采用双相不锈钢后，两台设备运行到目前为止仍十分平稳，不仅延长了检修周期(特别是空气压缩机组)，而且可以保证装置连续生产。两台设备的成功运行解决了制约生产的瓶颈问题，并为合成氨装置整体提负5%奠定了可靠的基础。

上述改造成功后，锦天化在甲醇装置的甲醇合成塔内部反应管采用了第二代双相不锈钢SAF2205，至今运转稳定。由于双相不锈钢具有优良的耐氯化物腐蚀的能力，同时因其具有高强度而成为奥氏体不锈钢理想的替代材料，在工业生产中具有良好的应用前景。随着其在国内得到大力推广，双相不锈钢必将会应用于更多的领域。