氯气压缩机级间冷却器泄漏及防控措施

张友谊，吴红忠，庞小才，郭鹏，段治予

(焦作煤业(集团)开元化工有限责任公司，河南 焦作 454191)

焦作煤业(集团)开元化工有限责任公司(以下简称“开元化工”)20万t/a离子膜法烧碱生产装置采用的氯气压缩机(包括供油系统和控制系统)由德国西门子生产，型号为STC-SH(8-4-VRZ)，配备4台国产级间冷却器。该氯气压缩机系统从2011年投用至今，由于使用年限较长，近两年来级间冷却器中的冷却管频繁出现内漏故障，导致离子膜法烧碱装置停车、停产，给公司造成较大的经济损失。为解决这个问题，在原有设备管理基础上强化级间冷却器强制更换管理，同时优化改造独立封闭冷却器循环水系统。采用这种新型单独的循环水系统后，可及时有效地发现并处理循环水水质产生的变化或影响，避免因此而引起的停车情况，有效保障烧碱生产装置长期稳定运行。

1 系统的工作原理[1]

氯气压缩机为离心式透平压缩机，压缩机的转子在电动机的驱动下高速旋转产生离心力对氯气做功，叶轮的进口产生负压，从而将气体连续吸入机内；气体在强大离心力的作用下，压力得到提高，同时动能也大为增加；随后气体在扩张的流道中流动时又将这部分动能转化为静压能，使气体的压力得到进一步提高，从而达到提高气体压力的目的。经过一级压缩的氯气温度、压力升高，进入一级冷却器(因为气体的压缩消耗机械能并转化为热能，所以压缩机每一段的压缩比不能过大，必须在级间设置中间冷却器以移去热量，使气体体积减小以利于压缩过程的逐级进行)，利用循环冷却水换热后将氯气冷却；然后依次进入二级、三级、四级压缩及冷却后，氯气被送至氯气液化储存及包装出售。

2 级间冷却器运行情况[2]

2.1 级间冷却器的制造参数

级间冷却器为列管式换热器，属于Ⅱ类压力容器。壳程介质为氯气，管程介质为循环水，外形尺寸Φ950×6 525，换热面积137.8 m2，换热管394根(规格Φ25×2、材质10#钢)，壳体Q345R、厚度12 mm，管板16MnⅢ。管子和管板连接方式为：外管板为强度焊加贴胀，内管板采用强度胀。管程接触水的金属表面涂覆以氨基环氧涂料为基料，添加防蚀防锈颜料、导热性颜料和防沉淀剂等组分的涂层，涂层厚度要求0.2 mm。

2.2 冷却器运行状况

4台级间冷却器运行状况见表1。

2.3 级间冷却器泄漏情况

氯气压缩机级间冷却器自2011年11月投用，2016年9月三级冷却器第一次发生泄漏事故，现场采用堵管处置后再次投入使用，同时采购4台新的冷却器,并于2016年11月26日全部更换。

2019年8月7日—2020年3月14日，一级冷却器发生6次泄漏，二级冷却器发生2次泄漏，均是由于换热管泄漏，导致氯气进入循环水系统，造成现场循环水游离氯含量严重超标(0.05%～0.10%)、pH值严重偏低(pH值为1.2～4)。现场均采取紧急停车，拆卸了两边封头，检查出泄漏管道，两边堵管后继续投入使用，同时订购4台新的冷却器备用。

2020年3月大修期间，对4台级间冷却器进行了整体更换，并于3月28日投入运行。2020年7月8日，二级冷却器再次泄漏，采取的措施均是将漏管进行两头封堵。泄漏情况见表2。

表2 级间冷却器泄漏统计表

3 泄漏原因及整改措施

3.1 现场拆解设备情况

为察看换热管腐蚀情况，分析泄漏原因，开元化工拆解更换下来的一级冷却器，取出泄漏的换热管，并刨开换热管泄漏段，腐蚀情况详见图1～图3。

图1 换热管未拆解漏点Fig.1 Leak points on an unremoved heat exchange pipe

图2 泄漏的换热管外壁情况Fig.2 Situation of outer wall of leaked heat exchange pipes

图3 泄漏的换热管内壁情况Fig.3 Situation of inner wall of leaked heat exchange pipes

将更换下来的冷却器放置在维修厂房内，采用气割方式将上部碳钢外壳切割下来，察看内部腐蚀情况。对比发现，漏点均为内部孔蚀逐步形成的。将冷却管漏点部位对边刨开，发现内壁涂层已经局部脱落，管壁出现黄色和绿色的锈斑锈迹，漏点中间腐蚀严重，周边腐蚀逐渐变轻。

3.2 泄漏原因分析及采取措施

冷却器管程介质是循环水。循环水中含有游离的氧、微量的二氧化碳和微生物，以及超高含量的氯离子等杂质，形成腐蚀性介质，在管壁涂层出现脱落或发生涂层机械损伤处发生吸氧腐蚀，使管壁穿孔，发生泄漏事故[2]。

经过现场共同讨论分析，具体原因有以下几个方面。

(1)设备在制造过程中对涂层要求不严格，管道冷却水侧防腐涂层附着力不强，存在涂层脱落或涂层不牢固的情况，个别列管质量存在瑕疵。设备机械加工厂的防腐工艺不专业。

采取措施：采购时，加强对冷却器冷却管内涂层制造工艺的质量跟踪，确保设备制造过程的涂层质量，避免涂层缺陷的形成。

(2)循环水氯离子含量超标的主要原因与地下水有关。一次地下水氯离子含量就在180～220 mg/L之间，同时氯碱生产系统换热器使用较多，个别换热器出现渗漏时，盐水、盐酸等具有腐蚀性的介质进入循环水系统，导致循环水氯离子含量超标，而同行业循环水介质氯离子最低含量保持在10～20 mg/L。

采取措施：将循环水由一次水更换为纯水，加缓蚀剂，调整pH值在7.5～9.0，使氯离子质量浓度≤100 mg/L，减少循环水介质对冷却管的腐蚀。

(3)氯气中水分含量超标。

采取措施：在一级冷却器氯气管线(壳程)进口与出口各增加1台水分在线检测仪，完善氯气压缩过程水分在线检测系统；在日常管理中，加强氯气压缩机压缩过程氯气中水分的控制，及时发现异常并进行处理，避免氯气介质对设备壳程的腐蚀。

(4)循环水杂质较多可能会对换热管内防腐涂料层产生冲刷而造成破坏。

采取措施：将氯气压缩机冷却器循环水改建为独立的循环系统，并将原来的一次水改为纯水，保证循环水质量。

(5)氯碱企业都存在氯气压缩机级间冷却器泄漏情况，但一定要处理得及时彻底，在条件允许时该更换就更换，避免同一台设备短时间因泄漏造成频繁停车而带来更大的损失。

采取措施：建立完善设备强制更换制度，级间冷却器运行3年后强制更换，并常备1台冷却器，以便泄漏时及时切换，保证后期的安全运行。

3.3 现场管理改进措施

(1)DCS操作人员加强对氯气压缩机ORP在线监测仪和水分在线监测仪的监控，一旦发现循环水含有游离氯或氯气中水分含量呈上升趋势，应立刻报警。同时在级间冷却器回水取样口取样分析，当分析结果pH值<6.5时，立即向班长及值班厂长汇报情况，及时采取有效措施，做到早发现，早处理，避免设备事故的扩大。

(2)定期清理换热管，利用停车检修机会，打开冷却器前后封头，对换热管进行清淤作业，同时检查换热管涂层腐蚀情况。

(3)在氯气压缩机停车期间，充入氮气对系统进行置换，置换完成后，将通往氯气除害塔的阀门关闭，保证氯气压缩机系统微正压，防止除害塔各系统湿氯气进入氯气压缩机系统。

4 级间冷却器循环水优化方案及优点[3]

4.1 方案

为防范级间冷却器内漏而导致生产装置停车，实现生产装置长周期稳定运行的目标，开元化工利用现氯气压缩机房西侧空地，建造地下独立封闭循环水池。将2台循环水泵和循环水冷却器安装于水池混凝土的上盖， 纯水管路与管桥架上的纯水管连接，冷却水管路与现有冷冻水系统连接。循环水经冷却后出水管与原循环水管路连接；同时利用强制更换下来的完好冷却器，形成一个封闭的独立的无压循环水系统。将循环水介质由原来的地下一次水改为纯水，经过循环水泵将纯水送至冷却器，利用制冷系统冷却水将循环水冷却至15～20 ℃，达到最佳运行效果。

独立封闭式循环水系统流程见图4。

图4 优化后氯气压缩机级间冷却器循环水独立封闭系统Fig.4 Independent and closed circulating water system for interstage coolers for chlorine compressor after optimization

4.2 优点

依托开元化工现有冷冻水系统，充分利用现有管道和强制更换下来的氯气压缩机冷却器，将7 ℃冷冻水作为循环水的冷却水，可有效降低冷却器循环水运行温度，减轻循环水介质对冷却器冷却管的腐蚀。同时将氯气压缩机级间冷却器循环水从氯碱装置循环水系统独立出来，减少其他换热器泄漏时污染水质后对级间冷却器的腐蚀影响。

独立系统建成后，无论管网循环水质量如何波动，单独循环水(纯水)系统直接进入列管冷却，不再受管网影响，确保生产系统平稳运行。可有效缓解或避免氯气压缩机冷却器泄漏对生产造成的影响，实现氯碱装置长期稳定运行。而且新增冷却器独立循环水池建立在地下，系统占地面积小，投资少，生产工艺稳定，操作能力可控。

运行结果表明：改造后的独立循环水系统能够完全满足各种负荷下的生产需要，氯气压缩机的各项指标均不受影响。

5 结语

级间冷却器是保证氯气压缩机安全稳定运行的重要设备，其泄漏原因复杂，泄漏现象比较普遍，是导致氯碱装置非计划停车的主要原因之一。开元化工通过全面的综合性分析，氯气压缩机级间冷却器采用独立封闭式循环水进行冷却，有效避免了因级间冷却器泄漏引起的停车事故，确保了20万t/a离子膜法烧碱生产装置长期稳定运行。