钛列管式换热器厂家谈钛制石化设备的选择与应用

1、前言

随着我国石化装置的大型化、连续化,使用环境日益处于高温高压、易燃易爆、强腐蚀,某些关键设备甚至配管与部件,用不锈钢等传统材料已不能适应。而比强度大,耐腐蚀性好的钛材开始备受青睐[1～6]。但随着钛材逐渐推广,钛设备较多使用,发生的事故与暴露的问题也相应增加,这不仅有技术性问题,也有非技术性问题,为总结经验,吸取教训,应提出对策,防患于未然。

2、石化工业钛设备的应用

我国石化工业钛设备应用情况详见表1。

3、技术性问题

3.1选材

从材料上解决设备腐蚀问题在工程上最为简捷。石化工业为追求较高生产率与最优的经济效益,往往采用较高温度与压力的工艺参数,但一般常规材料难以解决设备腐蚀问题,而钛材恰能胜任。如阿莫可法生产精对苯二甲酸,关键设备氧化反应器,温度186℃,压力1.5MPa,介质为对二甲苯、醋酸、四溴乙烷等;改良C法生产尿素的关键设备合成塔,温 度为200℃,压力24.5MPa,介质为尿素、甲铵(缺氧)。上述大型设备只有采用钛复合或钛衬里才能解决316L不锈钢难以解决的高温高压强腐蚀问题。又如高温含氯离子的甲乙混酸设备选材问题至今还在不锈钢与钛材之间徘徊。醋酸回收塔中段塔体虽采用00Cr20Ni25Mo4.5Cu不锈钢,腐蚀仍相当严重,10mm厚塔壁经3年蚀去一半,而同一部位的钛塔板却安然无恙,证明钛材作塔体没有问题。目前普遍使用的Cr18Ni8型不锈钢通过加Cr、加Ni、超低碳、加Mo、加Cu与超纯等措施,虽能一定程度提高合金耐蚀性,包括抗应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等性能,但基本上达到极限,即使达到了Ni-Mo、Ni-Cr-MoHastelloy合金水平,费用也很可观。因此从冶金学,工程学及经济上综合考虑,对石化工业面临强化生产过程,实现和稳定新工艺的挑战,关键设备采用钛材是最优选择。

又如滨海的石化企业用海水冷却乙烯生产的换热器与发电用的凝汽器,原设计采用铜合金,虽安置牺牲阳极或FeSO₄处理、胶球清洗及外加阴极保护等措施情况有所改善,但是铜管不耐海水中固体悬浮物的冲刷与孔蚀,泄漏事故经常发生,而采用钛管可彻底解决问题。

环氧丙烷装置中,较多管道与配件原设计采用钢衬四氟,由于衬贴工艺不过关,发生开裂损坏事故,被迫改用钛管。

但是钛材的选用,应根据石化设备的使用条件和加工要求按表2进行。从经济上考虑,能用纯钛的,不必采用Ti-Pd或Ti-Ni-Mo等耐蚀合金。某些介质会发生应力腐蚀,自燃与爆炸恶性事故,应引起重视。

3.2使用环境

石化钛设备的应用,首先应与使用环境相对应,在通常的使用范围内,大多不会发生全面腐蚀、点蚀与应力腐蚀。如发生异常腐蚀,大多是超过了钛的使用范围。钛的使用环境与腐蚀直接有关的有介质、温度、压力、流速及其它偶发因素,如在非氧化性环境,缺少缓蚀剂,如Fe³⁺、Cu²⁺、NO-₃等会引起加速腐蚀,流体中固体颗粒会促成磨耗腐蚀,物料结垢会引起垢下腐蚀等。

钛材使用环境分类见表3。

3.3设计

控制石化设备腐蚀的十分重要的步骤是正确的防护设计。只有切合实际的科学设计才能保证钛设备稳定安全成功运行。防护设计包括选材设计、结构设计与工艺设计等。以下重点把石化钛设备应用中发生的损坏类型与防护设计的关系列于表4。

3.4焊接

石化钛设备的制作与检修离不开焊接,而焊接质量与腐蚀及开裂等损坏事故往往有相当关系,为保证钛设备安全运行,必须提高制作与检修的焊接质量。

而良好的焊接质量是由下列焊接工艺环节来实现的:

(1)应在清洁、不含铁尘的环境中施焊;

(2)焊丝、焊缝坡口应彻底清理,去污脱脂;

(3)采用99.99%氩气与合适的保护罩,应使

400℃以上的焊接接头区域(正反面)均进行氩气保护;

(4)严格按制订的工艺规范操作;

(5)焊后应认真作质量检验;

(6)同一部位返修不宜超过2次。

4、非技术性问题

4.1经济评价问题

钛设备一次性投资虽高,但由于其使用寿命长,相应的每年投资费不高(见表5)。且由于钛的比强度高,在设计与制造同样设备时与传统材料比,费用较预计低。如钛的[质量]密度约为不锈钢的一半,因此在制造同样设备时投料可减少一半(如工业纯钛价格约为高级不锈钢的4倍,则按单位体积计算其价格实为后者的2倍)。此外,由于钛的比强度高和耐蚀性好,设计时可采用较小的腐蚀裕度,因而钛设备的壁厚可减小,如海水凝汽器原用铝黄铜管,壁厚为1.2mm～2.5mm,改用钛管可降至0.5mm。

钛设备一次性投资虽高,但由于采用钛设备换热效率较高与产品产量、质量提高,降低了生产运营费用,增强了市场竞争力。如钛管不易结垢,且表面具有滴状冷凝特性,又可以采用较高流速,且由于壁厚减薄,弥补了钛传热系数不高的欠缺,故钛管总传热系数较高,制成的钛海水冷却器运营成本较低。又如醋酸装置关键的塔、再沸器,从不锈钢改用钛材,大大减少了金属离子污染,使醋酸的一级品率可达100%。

钛设备一次性投资较高,除决定材料单价外,还取决于制造费用高低。选用钛设备经济评价汇总如图1。

4.2管理问题

4.2.1运行中管理

钛设备,尤其是衬里设备必须严格执行操作参数,对温度、压力、流速、介质严加控制,禁止超温超压超流速操作,严格控制物料配比和杂质含量。钛的膨胀系数较钢小。为避免过大的局部应力,因此开停车应严格控制升压升温和降温速度。

4.2.2检修时管理

钛设备停车检修应先进行检测或安全评定,根据实际要求制定检测程序,一般进行宏观检测,金相分析,硬度、厚度和氢量测定,及超声,渗透,射线,涡流探伤等,经检测如发现钛设备腐蚀与损伤,应即进行失效分析,找出原因,作出合理处理意见并进行修复。

钛设备(尤其是衬里或复合)修复大多是进行焊接修补。应先铲磨或彻底除去腐蚀或损伤部位,再复盖一块周边大10mm的新钛板,进行搭接焊补,检修合格后才允许投入运行。但投入运行前应仔细清理内部(曾发生在氧化反应器内因掉下钛螺母,当搅拌器运转时刮伤钛焊缝而造成泄漏事故)。

经使用过的钛冷却器由于结垢影响导热性,且会造成垢下腐蚀,需进行清洗,最好用一般高压水射流清洗,或采用不锈钢工具。有时也采用化学清洗,可根据垢层选择清洗剂,不能袭用为去除钛加工时产生氧化皮的清洗工艺。一般水垢与铁垢,可采用硝酸液,尽可能不用会引起吸氢的还原性介质。如清洗铁/钛混合结构时,一定要添加合适的缓蚀剂,避免碳钢的加速腐蚀与钛的阴极吸氢。清洗含硅的水垢与铁垢,可采用8%～10%HNO₃加0.25%NaF溶液较为安全,但应严格控制时间,并要有挂片监测。采用大于1%HF的硝酸溶液清洗钛冷却器,有可能对结垢不均的钛管造成浮雕状腐蚀。

参考文献References

[1]WangYaoqin(王瑶琴)etal.DesignofTiChemicalE-quipment(钛制化工设备设计).Shanghai:ShanghaiScien-tific&TechnicalPublication,1985

[2]YuCunye(余存烨).AnalyseandProtectiveMeasureofFailure60CasesofAppliedTiEquipments.ChemicalCor-rosion&Protective(化工腐蚀与防护),1994;22(3):58

[3]YuCunye(余存烨).ProtectiveofTiPetrochemicalEquip-ment.PetrochemicalCorrosion&Protective(石油化工腐蚀与防护),1996;13(2):1

[4]LiShushen(李树森).RareMetalMaterialsandEngineer-ing(稀有金属材料与工程),1996;25(5):52

[5]YuXinxue(余兴旭)etal.RareMetalMaterialsandEngi-neering(稀有金属材料与工程),1995;24(1):69

[6]YuCunye(余存烨).RareMetalMaterialsandEngineer-ing(稀有金属材料与工程),1991;20(3):73

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