80万t/a尿素装置一段蒸发加热器泄漏原因分析及优化改进

张道福，宫 蕾，尹 聪，刘桂芳，于田田，张道峰

(瑞星集团股份有限公司，山东东平 271509)

一段蒸发加热器是CO2汽提尿素生产装置(简称尿素装置)蒸发工段的关键设备之一，该设备的运行状况直接影响尿素装置的经济运行。笔者针对瑞星集团股份有限公司80万t/a尿素装置中的一段蒸发加热器曾发生的蒸汽进口部位换热管大面积泄漏问题，分析泄漏原因，并提出优化改进措施。

1 设备概况

瑞星集团股份有限公司80万t/a尿素装置中现有一段蒸发加热器1台，结构见图1。图1中N2为蒸汽进口，公称直径为DN500，蒸汽来自系统蒸汽管网；N3为冷凝液出口；N4接一段蒸发分离器，大法兰以上部分整体插入一段蒸发分离器；N5为冷凝液进口，冷凝液来自二段蒸发加热器出口；N6为蒸汽进口，公称直径为DN100；N7为排气口，公称直径为DN25。该一段蒸发加热器换热管总数为2 346根，换热面积为1 010 m2，由江苏某公司制造，于2013年9月底投用。2018年8月停车检修时发现列管泄漏，对泄漏严重的换热管进行了焊堵处理，共计172根；2019年7月28日检修时又对泄漏的30根换热管进行了焊堵。

图1 一段蒸发加热器结构示意图

2 泄漏原因分析

蒸汽进口和冷凝液进口在一个方向上呈上下布置。通过检修时的现场观察发现泄漏的换热管大部分位于蒸汽进口和冷凝液进口一侧，而原设备图纸在蒸汽进口和冷凝液进口位置并未设置防冲板；因此判断换热管的泄漏主要是由于蒸汽和冷凝液的长期冲蚀。冲蚀是指材料受到小而松散的流动粒子冲击，材料表面出现破坏的一种磨损现象；流动粒子可以是固体、液滴或气泡[1]。由于该设备使用的蒸汽为饱和蒸汽，压力不足0.4 MPa，蒸汽温度约为145 ℃。饱和气体在降温或者加压过程中，一部分可凝气体组分会形成小液滴随气体一起流动；来自系统蒸汽管网的饱和蒸汽在输送过程中，由于热量损失，势必会出现温度下降[2]，导致出现冷凝液滴。蒸汽中夹带的冷凝液滴将会持续直接冲刷换热管管壁。

为充分分析冲刷带来的危害程度，有必要对介质进口流速进行计算。因为该一段蒸发加热器蒸汽进口管道没有加设单独的流量计，所以无法直接获取其蒸汽用量；但从尿素装置工艺设计相关文件中可获得该一段蒸发加热器介质进口相关工艺数据(见表1)。

表1 一段蒸发加热器介质进口相关工艺数据

由表1可知该一段蒸发加热器进口蒸汽体积流量为22 613 m3/h，即6.281 m3/s。蒸汽进口管直径为530 mm、壁厚为10 mm、截面积A1=0.204 282 m2,故理论上蒸汽的流速V1=30.67 m/s。

进入二段蒸发加热器的中压蒸汽冷凝后经冷凝液进口进入一段蒸发加热器，理论上进入一段蒸发加热器的冷凝液质量流量为7 426 kg/h，则冷凝液体积流量为7.426 m3/h，即2.063×10-3m3/s，冷凝液进口管直径为89 mm、壁厚为4.5 mm、截面积A2=5.02×10-3m2,故冷凝液进口理论流速V2=0.41 m/s。

由于该一段蒸发加热器蒸汽进口和冷凝液进口都没有加设防冲板，因此流速大于30 m/s的饱和蒸汽夹带着部分冷凝液滴持续冲刷靠近蒸汽进口侧的换热管管壁，下部靠近冷凝液进口处的换热管还受到冷凝液的直接冲刷。换热管壁厚仅有2 mm，在生产过程中每时每刻同时受到二者的高速持续冲刷，在没有防冲刷措施的情况下必然会发生大面积泄漏。

3 优化改进措施

针对具有腐蚀性或磨蚀性的气体、蒸汽及气液混合物，应在一段蒸发加热器上设置防冲板[3]。为防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，应在壳程进口管(蒸汽进口N2管口和冷凝液进口N5管口)处设置防冲板[4]。由于冷凝液进口N5管径较小，所以加设防冲板不存在任何问题。但是蒸汽进口N2管径为530 mm，在加设防冲板前应先计算流通面积。

如果在原布管基础上不进行任何处理直接加设防冲板(见图2)，则加设防冲板后防冲板与设备内壁之间周向环隙的流通面积As1为：

图2 加设防冲挡板后示意图

As1=πDi(h1+h2)/2

(1)

式中：Di为蒸汽进口N2管内径；h1为加设防冲板后防冲板与设备壳体内壁的最小距离;h2为防冲板与设备壳体内壁的最大距离。根据原布管尺寸，h1=70 mm、h2=110 mm，代入式(1)可得As1=0.144 m2。

原蒸汽进口N2管流通面积为0.204 282 m2，直接加设防冲板后流通面积仅为原流通面积的70.49%。因为输送的蒸汽量未发生变化，所以蒸汽流动在此处加速，理论上大约变为原来的1.42倍，达到约43.55 m/s。由于蒸汽流速提速40%以上，容易诱发管束的振动并加剧换热管的冲刷和磨损，显然不利于换热管的长周期运行。因此还要考虑在基本不减少流通面积的基础上加设防冲板。

如果将靠近蒸汽进口的一排换热管去掉，则h1和h2各增加27.7 mm，由式(1)计算得出防冲板与设备内壁之间周向环隙的流通面积As1=0.188 m2,流通面积能够达到原流通面积的92.03%，理论上蒸汽流速大约变为原来的1.087倍，达到约33.34 m/s，流速增长幅度较小。

而去除最外侧一排换热管后，换热管数量减少24根，设备换热面积由1 010 m2降低为1 000 m2，降低幅度约1%，对整台设备的换热产生的影响可以忽略不计。

目前，该一段蒸发换热器已按修改后的布孔方式制作完毕并投运，彻底避免了因冲蚀导致大面积泄漏问题的发生。

4 结语

通过对一段蒸发换热器换热管泄漏原因的分析可知：蒸汽和冷凝液的长期冲蚀导致换热管表面出现破坏，引起泄漏，有必要在换热器进口设置防冲板。该改造措施可为同类企业在换热器设计、制造方面提供参考。