尿素氨汽提塔新材料运用与技术改进

第２期 收稿日期：２０１８－１０－２３作者简介：卢荔民（１９６８—），江苏江阴人，大专，工程师，研究方向为尿素、尿素生产及天然气化工下游。

尿素氨汽提塔新材料运用与技术改进卢荔民（海洋石油富岛有限公司，海南东方　５７２６００）摘要：分析了尿素氨汽提塔使用过程中常发生的问题，找出影响设备正常运行的不利因素，探讨了解决问题的方案，并采取相应的有效措施，从而延长汽提塔的使用寿命。

关键词：氨汽提塔；常见问题；技术改进中图分类号：ＴＱ４４１．４１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）０２－００９９－０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌｆｏｒＡｍｍｏｎｉａＳｔｒｉｐｐｉｎｇＴｏｗｅｒｏｆＵｒｅａＬｕＬｉｍｉｎ（ＣＮＯＯＣＦｕｄａｏＬｔｄ．，Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｄｏｎｇｆａｎｇ　５７２６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｇｅｎｅｒａｌ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅａｍｍｏｎｉａｓｔｒｉｐｐｉｎｇｔｏｗｅｒｏｆｕｒｅａｐｌａｎｔｈａｖｅｂｅｅｎｂｒｉｅｆｌｙｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｆｔｅｒｆｉｎｄｉｎｇｏｕｔｔｈｅｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｓｅｖｅｒａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｐｒｏｌｏｎｇｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｓｔｒｉｐｐｉｎｇｔｏｗｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｍｍｏｎｉａｓｔｒｉｐｐｉｎｇｔｏｗｅｒ；ｃｏｍｍｏｎｐｒｏｂｌｅｍ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ 九十年代后，国内陆续引进了多套斯纳姆氨汽提尿素工艺。

该工艺腐蚀最严重的部位就是氨汽提塔的换热管［１－３］。

随着技术的不断进步，斯纳姆公司最早采用的材质为不锈钢（奥氏体或者奥氏体－铁素体）的换热管。

之后分别在１９９６年、１９９１年、２００８年先后推出了换热器为钛材、双金属管（管内侧为锆，外侧为不锈钢）、钛衬锆及锆材等汽提塔。

其中，钛衬锆材质也称为“欧米加棒”型汽提塔，是斯纳姆与美国ＷＡＨ－ＣＨＡＮＧ公司联合开发的复合型材料。

由此可以看出，随着材质的不断升级改造，氨汽提塔的抗腐蚀能力逐步提高。

海洋石油富岛有限公司（以下简称“富岛”）化肥一部于１９９６年１０月投产的５２万ｔ／ａ尿素装置采用的斯纳姆氨汽提工艺，装置中汽提塔（Ｅ１０１）为直立管壳式换热器，第一台汽提塔采用的是钛材质的换热管，换热管顶部安装有外插结构的分布管，设备呈垂直布置。

按照斯纳姆公司提供的设计思路，该设备在使用到８～１０年时，可以调头换向使用，以保证设备达到１５年以上的设计使用寿命。

富岛公司第一台钛材质汽提塔投产２年后于１９９８年开始出现较为严重的腐蚀问题，２００４年设备调头继续使用，仍不断出现堵头、腐蚀状况。

１　旧汽提塔主要存在的问题从尿素合成塔来的１９８℃脲液进入汽提塔管程，在汽提塔中加热蒸发汽提以提高脲液的浓度，壳侧用中压饱和蒸汽提供热量。

管程介质高压、高温、高腐蚀性、气、液两相共存均是腐蚀的潜在根源。

钛材汽提塔在运行１８年间，因设备腐蚀原因造成系统停车达八次，设备历年来检维修情况详见表１。

此外，设备投用后管程出口温度最高只达到２０５．８℃，达不到２０７℃的设计能力，而２０１２年大修堵管后操作温度仅能达到２０３ ５℃，造成ＮＨ３不能全部被吸收，严重影响了整个尿素生产系统平衡，增加了后续工艺单元中压和低压系统的负荷，限制了装置的产能。

表１　氨汽提塔的设备问题及检修记录停车时间设备运行时间故障停车原因换热管维修情况１９９８年１０月装置计划大修第２年２个钛制换热管管头出现腐蚀，有３根换热管最小壁厚为３．３０ｍｍ（原设计壁厚为３．５ｍｍ）。

２００１年１２月装置计划大修第５年发现６０个管头出现腐蚀予以更换，换热管最小壁厚为２．２５ｍｍ（１根）。

２００３年３月抢修第７年汽提塔进液管接管衬泄漏１１０个换热管头出现腐蚀，换热管最小壁厚为１．９５ｍｍ（１根）９９根管头进行更换。

２００３年３月抢修第７年人孔盖排气接管ＣＮ１Ａ、ＣＮ２Ａ、Ｎ４Ａ透平垫片腐蚀穿孔。

２００３年１１月抢修第７年上管箱衬里检漏管出现泄漏２００４年２月８日装置计划停车设备调头重新安装第８年上管箱检漏管又出现泄漏更换了腐蚀严重的７５根管头，换热管最小壁厚１．７ｍｍ。

·９９·卢荔民：尿素氨汽提塔新材料运用与技术改进山　东　化　工表１（续）停车时间设备运行时间故障停车原因换热管维修情况２００５年１２月装置计划大修第９年换热管上部结垢脱离２００８年１月装置计划大修第１２年最小壁厚３．００ｍｍ（调头后上部管壁厚）。

２００９年１１月装置计划大修第１３年最小壁厚２．９０ｍｍ（调头后上部管壁厚）。

２０１２年１月装置计划大修第１６年部分列管在上管板段内（离上管口约８０ｍｍ左右）存在“螺旋状”冲刷沟槽，但缺陷程度不严重，换热管最小壁厚为２．５０ｍｍ（调头后上部管壁厚），上管头９０％以上端面高度比原始降低约２ｍｍ，管壁腐蚀减薄非常严重。

管箱衬里最小壁厚２．１ｍｍ。

２０１３年８月抢修第１７年入口进液管检漏孔发现泄漏。

２０１３年１２月计划停车检修第１７年氦渗漏发现７根换热管泄漏３３６根换热管在上管板段内（离上管口约８０ｍｍ左右）存在“螺旋状”冲刷沟槽，更换４３６个管头，堵管７２根。

２０１４年２月抢修第１８年壳侧检电导超标，管泄漏２５－３１号换热管距离上管板１６０ｍｍ处有孔穿透泄漏，漏点通过目测可以看到（上管板总厚度３３０ｍｍ），用工具测量穿孔深度超过２ｍｍ。

堵管５８根。

２０１４年４月抢修第１８年壳侧检电导超标，管泄漏４３－１８号换热管距离上管板１１０ｍｍ处有孔穿透泄漏，堵管７根加上历次封堵共计１５１根，堵管率６．５％。

２０１４年１２月装置大修安装“欧米加棒”新汽提塔第１８年２０１８年３月装置计划大修第４年安稳运行，未见任何问题。

从表１可以明显看出，主要的故障有以下几个方面：（１）换热管顶端８００ｍｍ范围内的内壁均匀腐蚀减薄，一般设备投用３～４年后开始逐步加重。

（２）换热管顶部１４ｍｍ的范围（俗称管头），外壁出现缝隙沟槽性和内壁冲刷性腐蚀，详见图１。

上管头的腐蚀一般在使用５～８年后呈急剧加快发展的趋势。

（３）距换热管管口约８０ｍｍ左右出现“螺旋状”冲刷沟槽，沟槽深度大于２ｍｍ（换热管壁厚设计３．５ｍｍ），详见图２。

该腐蚀现象危险隐蔽性最高，如不及时发现，及可能造成上部碳钢管板短时间被腐蚀出较多大的孔洞，影响管板强度。

（４）汽提塔上、下管箱衬里的腐蚀。

上管箱各接管内衬腐蚀和不流通备用接管的透镜垫片或衬管出现腐蚀泄漏。

一般发生在８～１２年以后，管箱衬里减薄恶化［４］。

（５）换热管内壁有钛基合成物的垢，一般发生在５年以后，严重影响换热效果［５］。

图１　汽提管上管头的冲刷性腐蚀图２　汽提管上管口“螺旋状”冲刷沟槽２　改造方案的确定２０１１年锦西化肥厂的钛制换热管氨汽提塔在运行１８年后在国内率先进行了更换，另外还有三个同类型化肥厂的汽提塔也陆续订货准备更换［６］。

富岛公司从２０１２年上半年开始收集国内同类型化肥厂汽提塔出现的问题，及时与专利商开展技术交流，对设备提出了改进意见。

２．１　设备更新的技术标准尿素／甲铵液在高温下具有强烈的腐蚀性，特别是超过２００℃后腐蚀成倍地增加。

按照专利商意大利斯纳姆公司的介绍，钛材制造的换热管和衬里可以耐受尿素介质腐蚀，但是不耐受冲刷，因此，汽提塔衬里和换热管通常使用寿命在１６～１８年。

ＡＳＭＥ标准规范的要求衬里厚度不小于２ｍｍ（设计６ｍｍ），或换热管壁厚最小不低于１．６ｍｍ（设计３．５ｍｍ），且堵管面积不大于５％（主要依据换热效率不能影响系统维持运行为依据）。

否则，应予以更换。

根据表１列示的相应数据及图１显示的设备出现的大面积孔洞腐蚀（影响设备强度），富岛公司有必要对尿素氨汽提塔换热器的材质进行更换。

·００１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第４８卷　第２期２．２　方案的选择国内某化肥厂使用了不锈钢制换热管的汽提塔，使用该型汽提塔另需新增一套高压加氧装置，为高压管程不间断地提供钝化介质（即便是在尿素短时间停车高压系统封闭的期间）。

该方案投资小，易维修，但抗腐蚀能力最差，特别是在全厂突发停电、尿素高压系统封闭无氧钝化情况下风险极高。

国内使用最多的是价格适中的钛制换热管汽提塔（约４５０万欧元），从各厂使用情况来看，该型汽提塔抗腐蚀稳定期为两年左右，寿命短，故障率高，维修费用高（单次停车维修费平均在１００万元人民币以上），维修技术难度大等问题。

国内有三个化肥厂第二次更换设备时仍采用钛制汽提塔，腐蚀泄漏问题依然没有解决，短时间内都出现了腐蚀泄漏的现象。

富岛公司综合考虑了设备寿命、维护成本、设备投资及改进回报期等多方面因素，确定了以“管程出口温度提高到２０７℃以上，提高高压系统转化能力，降低蒸汽使用量”为设计指导思想，最终选用了“欧米加棒”型的钛衬锆材质汽提塔（设备费用比钛制换热管的汽提塔贵１００万欧元）。

３　设备技术改进及其作用（１）为保证管程出口温度提高到２０７℃以上，根据核算：换热管长度保持５ｍ不变，换热管数量由２３２５根增加到２４５２根，外部直径增加到２ｍ，新汽提塔换热面积由７３０ｍ２增加到７７０ｍ２。

另根据钢结构承载能力核算结果，将设备空重由７４ｔ增加到８８．６ｔ。

该措施较好地解决了尿素装置无法提高负荷的技术瓶颈。

（２）将钛制换热管改成“欧米加棒”型换热管，换热管外径不变，具体换热管外径为Φ２７ｍｍ，管壁３．７ｍｍ（外层ＴｉＢ３３８Ｇｒ３，厚度３．０５ｍｍ，内衬Ｚｒ７０２，厚０．６５ｍｍ）。

锆比钛有更好的抗尿素腐蚀和冲刷特性，将彻底解决换热管上部８００ｍｍ范围内的内壁均匀腐蚀减薄。

详见图３。

图３　改造后的“欧米加棒”钛衬锆材质（３）换热管上部的ｆｅｒｒｕｌｅ（国内简称“升气管”或“汽提管”）由外插改为内插，将升气管顶部出气孔加大，增加下部进液口的数量（有利于提高液体进入换热管内壁均匀程度），解决管头内壁腐蚀，详见图４。

同时，将特氟龙（ＴＥＦＬＯＮ）密封垫由一个改为两个，有效防止密封垫安装过程开裂或翻边密封不严造成的管头腐蚀，详见图５。

图４　升气管的内插改造图５　特氟龙密封垫的改造 （４）将管程脲液入口管由原３０度牛角式改为３６０度环形管分布管，在环形管分布管下部开孔，详见图６。

该改造方案防止了原设计大量液体快速流向对面，成功地解决了管箱衬里的冲刷腐蚀和液体分布不均的问题。