夏成君 周朝剛

(中昊晨光化工研究院有限公司，四川 自貢 643201)

HCFC-22裝置中氯化氫精餾塔冷凝器失效探討

夏成君 周朝剛

(中昊晨光化工研究院有限公司，四川 自貢 643201)

氯化氫精餾塔冷凝器是HCFC-22裝置中的設(shè)備，曾出現(xiàn)過最短使用2 h左右出現(xiàn)換熱管腐蝕穿孔、泄漏的現(xiàn)象。主要分析探討氯化氫精餾塔冷凝器失效的原因及相應(yīng)的解決方法和措施。

氯化氫精餾塔冷凝器；換熱管腐蝕穿孔；泄漏

0 前言

在氟化工生產(chǎn)過程中,HCFC-22裝置中的氯化氫精餾塔冷凝器出現(xiàn)頻繁泄漏的現(xiàn)象，普遍壽命只有10余天，加工使用后曾出現(xiàn)過最短使用2 h左右出現(xiàn)換熱管腐蝕穿孔、泄漏的現(xiàn)象，導(dǎo)致經(jīng)常性的生產(chǎn)停車。為了解決這個(gè)技術(shù)難題，分析探討了氯化氫精餾塔冷凝器泄漏的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 冷凝器基本情況

1.1 設(shè)備概況

氯化氫精餾塔冷凝器在引進(jìn)技術(shù)時(shí)選用材質(zhì)為S30408不銹鋼，經(jīng)過幾年的使用，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。由于考慮到氯化氫、氟化氫等介質(zhì)腐蝕性極小，所以，經(jīng)研究分析后冷凝器材質(zhì)改為低合金鋼。表1為氯化氫精餾塔冷凝器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 氯化氫精餾塔冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)備檢查

對(duì)已經(jīng)泄漏的氯化氫精餾塔冷凝器管板與換熱管焊接接頭進(jìn)行著色檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和孔洞。從氯化氫精餾塔冷凝器中抽出已經(jīng)泄漏的換熱管，發(fā)現(xiàn)換熱管距離上管板40～50 mm外壁處明顯變小，嚴(yán)重之處已經(jīng)腐蝕穿孔，穿孔換熱管周圍呈放射狀向外擴(kuò)散，管徑在同一高度都呈現(xiàn)出不同程度的腐蝕變小。圖1和圖2分別為換熱管上腐蝕孔洞圖和腐蝕孔洞在換熱器上的分布圖。

圖1 換熱管上腐蝕孔洞圖

圖2 腐蝕孔洞在換熱器上的分布圖

1.3 介質(zhì)分析

對(duì)介質(zhì)冷凍鹽水進(jìn)行分析，冷凍鹽水pH為7，屬正常范圍，非為引起嚴(yán)重腐蝕的原因。

2 冷凝器失效原因分析

經(jīng)過探討分析，有兩種可能導(dǎo)致管、殼程物料串通引起嚴(yán)重腐蝕：1)換熱管在制造過程中有微孔，雖然經(jīng)過檢驗(yàn)但未檢測(cè)出來；2)換熱管與管板的焊接接頭存在貫穿性氣孔或裂紋，在接頭著色檢查和致密性試驗(yàn)時(shí)沒有檢查出來。管程介質(zhì)中的氯化氫、氟化氫滲入殼程，由于氫氟酸、鹽酸的密度比冷凍鹽水小，所以氫氟酸、鹽酸浮在冷凍鹽水的液面，造成換熱管外壁在液面位置高度腐蝕，直徑變小，并且都是在同一高度發(fā)生腐蝕。

3 改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 采用雙管板結(jié)構(gòu)

換熱器管程和殼程介質(zhì)嚴(yán)禁混合，在出現(xiàn)如下情形時(shí)則需采用雙管板換熱器結(jié)構(gòu)：

1)當(dāng)管程和殼程介質(zhì)相混合后兩種介質(zhì)會(huì)引起燃燒或爆炸；

2)當(dāng)管程和殼程兩種介質(zhì)相混合后會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕；

3)一側(cè)為極度或高度危害介質(zhì)，滲入到另一側(cè)會(huì)引起嚴(yán)重后果；

4)管程和殼程介質(zhì)相混合后會(huì)引起劇烈化學(xué)反應(yīng)的工況。普通型的雙管板換熱器是具有4塊管板的固定式換熱器，兩塊管程側(cè)管板和管箱法蘭通過螺柱、墊片連接，再配合上換熱管、管箱就組成了管程。換熱管與管程側(cè)管板采用強(qiáng)度焊配合貼脹的方法。在距換熱管端部較遠(yuǎn)的位置還有兩塊管板，稱為殼程側(cè)管板，即殼程管板，與換熱管及殼程相連接，管程側(cè)管板與管程內(nèi)側(cè)管板之間有一定的距離，這部分空間可以用一個(gè)短節(jié)與外界隔離開，組成一個(gè)小隔離腔。

3.1.2 合理的坡口結(jié)構(gòu)尺寸及管頭伸出長(zhǎng)度

為了保證管板與換熱管的連接焊縫強(qiáng)度，必須要求有一定焊腳高度。焊腳高度由管板上坡口部分對(duì)接焊縫高度加上管板上面角焊縫部分焊角高度共同組成，可以通過增加坡口深度或增加管頭外伸長(zhǎng)度保證所需要的焊角高度。為了保證焊腳高度，每個(gè)管孔都倒一定深度的坡口，由于管板上密集分布著管孔，管孔之間的管橋一般都較小，如果坡口尺寸太大，管橋開穿，焊縫相互重疊，相互熱影響，無法保證焊縫質(zhì)量。這就需要用管頭伸出長(zhǎng)度來保證角焊縫部分焊角高度，對(duì)應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的換熱器的管板與換熱管的連接焊縫，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加管頭伸出長(zhǎng)度來保證焊腳高度。

3.1.3 管板上焊接接頭布置

管板上緊密排列著小圓形單道焊縫，焊接熱影響大，應(yīng)力集中點(diǎn)多，為了保證管板與換熱管的連接焊縫強(qiáng)度和焊腳高度，每個(gè)管孔都倒一定深度的坡口，管孔之間的管橋較小，避免管橋開穿，對(duì)應(yīng)用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的換熱器的管板與換熱管的連接焊縫，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加管間距，以減少焊接的相互影響。

3.1.4 選用致密性試驗(yàn)介質(zhì)

管子與管板焊接接頭用氨氣試漏，氨氣的靈敏度比空氣高，它適用于劇毒介質(zhì)、強(qiáng)滲透介質(zhì)或管程為高壓而殼程為低壓的試漏。殼程用0.15 MPa的氨氣試壓，在管板上用石蕊試紙檢驗(yàn)接頭的質(zhì)量。但在操作時(shí)應(yīng)注意氨氣的嚴(yán)密和安全，以免泄漏到大氣中，造成試紙失靈。

3.2 制造過程控制

3.2.1 換熱管質(zhì)量控制

選擇工藝裝備較先進(jìn)、質(zhì)量可靠的材料生產(chǎn)廠，制定嚴(yán)格的訂貨條件。換熱器制造廠應(yīng)由專職檢驗(yàn)員對(duì)每批換熱管的管子外徑、壁厚進(jìn)行抽查，并增加逐根渦流檢測(cè)工序。

3.2.2 焊接前準(zhǔn)備

1)組裝前，碳素鋼換熱管管端外表面、管孔內(nèi)表面應(yīng)除銹,否則組裝后難以清理,打磨后應(yīng)立即穿管組裝。碳素鋼換熱管、管板金加工后靜置一二天后就生銹，組裝后，點(diǎn)焊前先用清洗劑去油污，再用鋼絲輪清理,見金屬光澤后用干燥的壓縮空氣吹掃，經(jīng)檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行焊接。

2)焊條吸潮會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，焊條應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)烘干后放在專用烘箱或保溫筒中，隨用隨取，施焊時(shí)也要注意防潮。

3)焊接接頭形式。換熱管的焊接主要分為熔頭焊接、角焊縫焊接兩種形式。不同焊接形式在設(shè)計(jì)上都有不同要求，對(duì)于壓力較高特別是管、殼程介質(zhì)嚴(yán)禁混合的換熱器一般不采用熔頭焊接的方式。如無水氟化氫、無水氯化氫等介質(zhì)的換熱器管接頭焊接過程中，管頭不熔入管接頭焊縫中，能夠測(cè)量焊腳高度，確保焊腳高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4)焊接方式。鎢極氬弧焊：氬氣具有極好的保護(hù)作用，能有效地隔絕周圍空氣，使得焊接過程中熔池的冶金反應(yīng)簡(jiǎn)單易控制，即使在很小的電流情況下仍可穩(wěn)定燃燒，熱源和填充焊絲容易調(diào)整，因此，容易獲得高質(zhì)量的焊縫。在管板與換熱管的焊接接頭施焊過程中，選用氬弧焊，減少熱輸入量，盡可能減小管接頭焊接過程中的相互熱影響。盡量采用管板自動(dòng)氬弧焊，由專職的焊工施焊，以先進(jìn)的裝備、熟練的技術(shù)、高度的工作責(zé)任心保證焊接質(zhì)量。

3.3 過程檢驗(yàn)

實(shí)時(shí)增加制作過程中的檢查次數(shù)，管板與換熱管焊接接頭的第一遍采用氬弧焊打底，第一遍焊完后進(jìn)行著色檢查，發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊，對(duì)要求較高的場(chǎng)合，還應(yīng)增加氣密性試驗(yàn)，經(jīng)檢漏合格后才能進(jìn)行第二遍的焊接。這時(shí)要嚴(yán)格執(zhí)行已定的焊接工藝，保證足夠的焊肉，第一層焊接要全蓋滿，焊完后再進(jìn)行著色檢查，消除焊縫氣孔、裂紋，避免出現(xiàn)貫穿性氣孔。

4 結(jié)束語

管殼式換熱器尤其是固定管板式換熱器本身在制造中工序多，要求高，有些方面常被忽視，容易產(chǎn)生缺陷，超壓檢驗(yàn)也難以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)在制造中采用正確的方法，保證焊接質(zhì)量。尤其對(duì)于一些使用環(huán)境差、要求高的換熱器，應(yīng)采用特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝，如采用雙管板、增加制造過程的中間檢查等，可以大大提高換熱器質(zhì)量，滿足苛刻使用要求。

以上制造方法主要應(yīng)用于HCFC-22裝置涉及氟化氫、氯化氫的換熱器，效果較好。因此，對(duì)于工況較惡劣的換熱器的設(shè)計(jì)制作，只要對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，有合理的結(jié)構(gòu)，注重?fù)Q熱器的制造過程控制，就能保證最終的換熱器質(zhì)量，避免HCFC-22裝置中氯化氫精餾塔冷凝器出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

[1] GB151-1999. 管殼式換熱器[S].

[2] NB/T47014-2011. 承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

[3] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M]. 北京: 新華出版社, 2005: 295.

Discussion on Failure of Hydrogen-Chloride Distillation
Tower Condenser in HCFC-22 Devices

Xia Chengjun, Zhou Chaogang

(Zhonghao Chenguang Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Zigong 643201, China)

Hydrogen-chloride distillation tower condenser is among one of the major equipments in HCFC-22 devices. However, some defects like corrosion, perforation and leakage will be occurred on the heat exchange tubes shortly after the condenser is operational for only two hours. This paper analyzed the reasons for causing such failure of hydrogen-chloride distillation tower condenser and provided relative solutions and measures.

hydrogen-chloride distillation tower condenser; corrosion and perforation on heat exchange tubes; leakage

夏成君(1965—)，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事壓力容器制造質(zhì)量過程控制研究。