吳保民，王 強(qiáng)，吳保軍

(錦西天然氣化工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125001)

錦西天然氣化工有限責(zé)任公司(以下簡稱錦天化)合成氨裝置100E3和100V2分別是工藝空氣壓縮機(jī)的第二段間冷卻器和分離器，從1992年投用，到2003年之前，100E3因工況惡劣、設(shè)計不合理、換熱管泄漏等原因?qū)е聯(lián)Q熱能力不足，先后更換5臺冷卻器。2002年之前，100V2運(yùn)行基本正常，腐蝕也在正常范圍之內(nèi)，但自2002年以后，隨著機(jī)組段間冷卻器100E3換熱能力的下降，只能臨時采用殼體外部保溫拆除噴淋降溫，周圍環(huán)境水汽增大，這也造成100V2的內(nèi)部含水量上升，從而導(dǎo)致腐蝕嚴(yán)重，每次檢修都發(fā)現(xiàn)有大片腐蝕疏松層脫落。經(jīng)查找相關(guān)資料，對比分析后發(fā)現(xiàn)，同時要滿足高溫高濕及氯離子腐蝕的材料，可采用雙相不銹鋼00Cr18Ni5Mo3Si2，相當(dāng)于瑞典3RE60，屬于第一代雙相不銹鋼，故決定采用這種雙相鋼作為主要過流部件，委托哈爾濱703所設(shè)計制造，于2003年檢修時先后更換，至今運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

1 設(shè)備簡介

1.1 工藝條件

錦天化工藝空氣壓縮機(jī)為二段轉(zhuǎn)化爐提供工藝空氣。工藝空氣經(jīng)入口過濾器100F1過濾后，被一級葉輪壓縮至0.12 MPa、123℃的空氣進(jìn)入一段冷卻器100E1，溫度降至42℃，并進(jìn)入一段分離器100V1，經(jīng)二、三級葉輪壓縮至0.857 MPa、257℃后，進(jìn)入二段冷卻器100E3，溫度降至42℃，并進(jìn)入二段分離器100V2，然后進(jìn)入第四級葉輪繼續(xù)壓縮，經(jīng)四段壓縮至3.32 MPa、227℃后，在一段爐對流段中預(yù)熱到510℃送入二段轉(zhuǎn)化爐。工藝流程見圖1。

1.2 設(shè)備參數(shù)

(1)原始的二段冷卻器100E3規(guī)格：(直徑×壁厚×長度)Φ1 376mm×14mm×7 805mm；材質(zhì)：殼體SA516Gr.70；換熱管SA179，Φ19.05mm×2.1mm，共613根；制造廠：法國德西尼布公司。

改造后二段冷卻器100E3：規(guī)格：(直徑×壁厚×長度)Φ1 924(mm)×12(mm)×8 362(mm)；材質(zhì)：殼體20g；換熱管00Cr18Ni5Mo3Si2，Φ22(mm)×1.5(mm)，共1 264根；制造廠：哈爾濱703所。

(2)二段分離器100V2。設(shè)備規(guī)格為Φ1 768 mm×4 780 mm，殼體及封頭壁厚δ=16mm，改造前材質(zhì)為16MnR，改造后材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2。工藝參數(shù)見表1。

表1 二段冷卻器、二段分離器工藝參數(shù)

2 設(shè)備故障情況

100E3自投產(chǎn)以來，因工況比較惡劣造成換熱管泄漏，先后進(jìn)行過5次更換，主要是因為設(shè)計不合理，導(dǎo)致?lián)Q熱能力不足，同時工藝空氣中所含的氯會對換熱管產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。隨著100E3換熱能力的下降，只能臨時采用殼體外部噴淋降溫，造成100V2的內(nèi)部含水量上升，導(dǎo)致碳鋼支架均勻腐蝕，產(chǎn)生鐵銹，同時不銹鋼除沫網(wǎng)也存在氯離子腐蝕，鐵銹及斷裂的鋼絲對空壓機(jī)四級靜導(dǎo)葉及葉輪進(jìn)行沖刷，造成靜導(dǎo)葉和葉輪葉片的腐蝕減薄，既存在葉片斷裂的風(fēng)險，也降低了壓縮機(jī)的效率。2003年改造之前，對100E3更換過5次。

(1)1992年，法國德西尼布公司給設(shè)備制造商提供的環(huán)境相對濕度是62%，而錦天化夏季現(xiàn)場的相對濕度平均值是82%，高于設(shè)計值，這就意味著減小了設(shè)備的換熱面積，導(dǎo)致?lián)Q熱能力降低。

(2)1995年，法國德西尼布公司重新設(shè)計制造該設(shè)備，換熱管采用的是U形管，雖增加了一些換熱能力，但換熱管材質(zhì)未改變，腐蝕問題仍未解決。

(3)1997年，借鑒國外經(jīng)驗國內(nèi)設(shè)計制造，換熱管采用的是304材質(zhì)的波節(jié)管，運(yùn)行環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，造成換熱管開裂泄漏。

(4)1998年，根據(jù)使用過程中存在的問題，再次采用國內(nèi)設(shè)計制造，將換熱管由原來的波節(jié)管改為翅片管，雖增大了換熱能力，但材質(zhì)仍舊是304。

(5)1999年，對換熱管材質(zhì)進(jìn)行了改造，由國內(nèi)設(shè)計制造，選取了一種抗高溫、氧化性能比較好的20g作為換熱管材質(zhì)，仍未從根本上解決換熱管的腐蝕問題。

根據(jù)上面5次出現(xiàn)100E3換熱管泄漏的情況和100V2的罐內(nèi)腐蝕的情況，經(jīng)過技術(shù)討論后，提出將冷卻器換熱管和分離器罐體的材質(zhì)改為雙相鋼以抗氯離子腐蝕。

3 腐蝕原因分析

由于100E3臨時采用殼體外部保溫拆除噴淋降溫，造成外部環(huán)境濕度增大，大量水蒸氣夾帶進(jìn)入機(jī)組中，造成100V2的內(nèi)部含水量上升，加劇了罐內(nèi)的腐蝕。檢查100E3換熱管的裂紋以及100V2中間除沫網(wǎng)(主要材質(zhì)為304鋼絲)的碎絲，發(fā)現(xiàn)表面上都有蟲咬式的腐蝕痕跡。經(jīng)分析，認(rèn)為主要原因是附近存在化工廠氯堿裝置，偶爾會(間斷)有氯氣釋放，空氣介質(zhì)中確實存在氯氣污染，Cl-含量約2.45%，少量氯氣和氯化氫氣體伴隨空氣通過入口過濾器帶入壓縮機(jī)中，造成不銹鋼換熱管及除沫網(wǎng)的應(yīng)力腐蝕破壞。

4 改進(jìn)措施

綜上分析，兩臺設(shè)備的腐蝕原因為外表面的干濕交替區(qū)域聚集濃縮氯離子，在氧、氯等的促進(jìn)作用下，在100E3換熱管及100V2罐內(nèi)，304不銹鋼金屬的外表面產(chǎn)生孔蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋。100E3擴(kuò)展到管的內(nèi)壁，導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生腐蝕泄漏，100V2罐內(nèi)疏松層的脫落及除沫網(wǎng)的碎絲，導(dǎo)致機(jī)組第四級入口的雜質(zhì)增多。因此，盡量減少空氣中液態(tài)水的攜帶量，避免出現(xiàn)干濕交替區(qū)域，而無法控制空氣中氯和氧的含量，只能選擇更耐氯化物孔蝕和應(yīng)力腐蝕的材料。由于一般的奧氏體不銹鋼對氯化物十分敏感，因此在以孔蝕、縫隙腐蝕為起源而引起氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的介質(zhì)中，新型鐵素體—奧氏體型雙相不銹鋼的應(yīng)用尤為有效，它既耐均勻腐蝕，又具有良好的抗孔蝕及應(yīng)力腐蝕能力。

雙相不銹鋼是固溶狀態(tài)鐵素體相和奧氏體相大約各占一半，集鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼優(yōu)點于一身的特殊鋼種，自上世紀(jì)30年代瑞典研制出雙相不銹鋼以來，其已經(jīng)發(fā)展到第三代。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼具有耐腐蝕能力強(qiáng)、塑韌性好、焊接性能優(yōu)良等特點。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼不僅抗氯化物應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)，而且強(qiáng)度明顯高于奧氏體不銹鋼，屈服強(qiáng)度可達(dá)400～550MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此，可以有效降低壓力容器的設(shè)計厚度。由于雙相不銹鋼具有以上這些優(yōu)異的性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線、造紙機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。

根據(jù)100E3更換5臺后換熱管的泄漏情況以及100V2的罐內(nèi)腐蝕情況分析，決定采用00Cr18Ni5Mo3Si2鋼作為冷卻器換熱管和分離器罐體的材料。00Cr18Ni5Mo3Si2鋼是上世紀(jì)70年代我國根據(jù)當(dāng)時的生產(chǎn)條件，開始研制的第一代雙相不銹鋼。在抗腐蝕方面，特別是在氯離子含量較高的介質(zhì)環(huán)境中，它的耐均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼。

雙相不銹鋼的抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力主要取決于Cr、Mo、N元素的含量，采用耐點腐蝕指數(shù)PREN來評價。其值越高，抗局部點蝕的能力越強(qiáng)。

耐點腐蝕指數(shù)PREN=Cr%+3.3×(Mo%+0.5×w%)+16×N%

5 結(jié)語

100E3換熱管與100V2罐體采用雙相不銹鋼后，兩臺設(shè)備運(yùn)行到目前為止仍十分平穩(wěn)，不僅延長了檢修周期(特別是空氣壓縮機(jī)組)，而且可以保證裝置連續(xù)生產(chǎn)。兩臺設(shè)備的成功運(yùn)行解決了制約生產(chǎn)的瓶頸問題，并為合成氨裝置整體提負(fù)5%奠定了可靠的基礎(chǔ)。

上述改造成功后，錦天化在甲醇裝置的甲醇合成塔內(nèi)部反應(yīng)管采用了第二代雙相不銹鋼SAF2205，至今運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。由于雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐氯化物腐蝕的能力，同時因其具有高強(qiáng)度而成為奧氏體不銹鋼理想的替代材料，在工業(yè)生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。隨著其在國內(nèi)得到大力推廣，雙相不銹鋼必將會應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。