高压甲铵冷凝器的国产化设计

国内较早的几套大化肥装置是整体引进的国外技术和设备，经过多年的运行，关键设备高压甲铵冷凝器已经老化，出现了裂纹甚至泄漏现象，给安全生产带来了重大的隐患。进口高压甲铵冷凝器设备不仅要花费巨额的外汇，制造周期也无法满足生产的需要。因此，高压甲铵冷凝器的国产化是非常必要的。

1 概况

高压甲铵冷凝器是尿素装置中较关键的设备之一，中油股份乌鲁木齐石化分公司化肥厂一尿素装置建成投产于1985年7月，该设备整个从国外引进，至今已服役多年。目前高压甲铵冷凝器（202-C）存在的主要问题是：①部分列管在管板区有明显的应力腐蚀（SCC）现象，随着时间的延长，在管板区的列管有可能发生应力腐蚀开裂。②壁厚减薄很标，列管由于壁厚太薄开裂，设备存在着严重的安全隐患。③列管有活化腐蚀的明显迹象，即列管内壁钝化膜未被破坏，但手感明显粗糙。根据化肥设备腐蚀检测的经验，管子一旦开始活化腐蚀，其腐蚀发展速度会很快,这说明该设备进入寿命的晚期，因此，设备的更新问题已迫在眉睫。为了节省投资和外汇，我们在参考原始设计，保证连接尺寸，满足现工艺要求的基础上对甲铵冷凝器进行国产化设计。高压甲铵冷凝器为带膨胀节的固定管板式换热器（图1），设计参数见表1。

2 选材

2.1 设备材料

该设备管程内介质为腐蚀性很强的甲铵，且为高压，要求材料即具有高强度而又耐腐蚀，管箱封头采用德国强度较高的钢号19Mn6钢板，相当于在16MnR材料的基础上添加一些合金元素，其材料的屈服强度和抗拉强度高于我国的16MnR，且国内可以生产。管箱筒体、管板、人孔采用国内20MnMo锻钢。管箱与介质接触的内表面堆焊X2CrNiMo25-22-2尿素级不锈钢。换热管采用进口钢管X2CrNiMo25-22-2，材料标准为DIN17440。高压管箱接管采用316Lmod，即316L的改良型，抗腐蚀能力优于316L。

2.2 尿素级不锈钢的焊接材料

2.2.1 带很堆焊

渡层及耐蚀层均为：

焊带：SANDIVIK25—22—2LMN（60×0.5）

焊剂：SOUDAMETAL 13BLFI

2.2.2 手工电弧焊

手工堆焊过渡层和耐蚀层及衬里焊缝

FILARC BM310Mo—L

2.2.3 氩弧焊

焊丝：SANDIVIK25—22—2LMN

保护气：99.99% 氩气

材料化学成分见表2，力学性能见表3。

2.3 尿素级不锈钢堆焊层晶间腐蚀倾向试验应满足：五个周期的平均腐蚀速率CR应符合下列规定：①316LMoD不锈钢CR≤2.0μm/48h。②25-22-2型不锈钢CR≤1.0μm/48h。 以上尿素级不锈钢材料（包括熔敷金属），金相组织在焊接或较终热处理后应为单相奥氏体组织，不得有连续网状碳化物或σ相存在，铁素体含量不得大于0.4%。

3 结构设计

高压管箱球封头部分耐腐蚀层，分两次堆焊，总厚度为8mm,其中4mm为过渡层。筒体部分采用松衬，将耐腐蚀的衬板按容器的壳体形状贴合于容器内壁，衬板间施行对接焊。由于整体衬里焊后，焊缝要收缩，因此在衬里与壳体之间存在间隙，经过水压试验后相当于进行一次液压胀紧，控制较大间隙不很过1mm。水压试验合格后对焊缝进行氨渗漏检验。衬里设检漏系统，在衬里容器外壳上开若干检漏孔，使衬里与外壳之间相通，在衬里筒节的封闭区间，检漏孔尽量靠近焊缝附近。

上下人孔平垫密封采用组合式垫片，材质为316L的齿形垫上下覆盖石棉垫，石棉板氯离子含量≤100ppm，石棉垫厚度大于齿高，使石棉垫被压入齿槽内后仍高出齿顶0.1mm以上。这种组合垫的特点是：预紧螺栓时，利用作用在金属齿形垫上垂直于齿角的力，来压紧和稳固填充在齿槽内的石棉垫，以次弥补石棉强度低，容易挤断的不足，充分发挥各自的优点，使其能在高温高压和强腐蚀介质作用下具有良好的密封性能。

密封面衬里采用不锈钢镶环结构，预先在母体上开槽堆焊不锈钢过渡层，保证焊环与碳钢母体焊接好，减少焊接应力，焊接完毕，热处理后再较后加工密封面。 带衬里的高压接管焊接结构，焊接坡口先堆焊一层4mm的不锈钢过渡层，消除应力退火后再焊接管，开孔补强采用锻件凸缘，为确保焊接质量，在筒体开孔及凸缘上均留出加工余量,焊后再车去。

壳程为减少温差给换热管带来的应力，壳体设两波单层U形膨胀节，考虑总的轴向变形为26mm。材料为柔性较好的0Cr18Ni9不锈钢，由于管束较长(L=12171mm)为防止震动及支持换热管，用格栅结构代替折流板。

4 焊后热处理

高压管箱的热处理在过渡层堆焊完毕后进行。与奥氏体材料相邻的碳钢进行焊后热处理时，在奥氏体材料的任何部位较高温度为510℃，热处理炉温度应保持均匀，在保证恒温的一段足够长时间，其温度较大偏差为上下14℃，炉内的气氛应进行控制以防钢的过分增碳或脱碳。

5 压力试验

设备制造完毕后进行压力试验。由于管程材质为尿素级不锈钢材料所以对水压验介质提出特殊要求：水的温度不得低于大气露点温度，较低温度不低于15℃，管侧氯离子含量不大于2PPM。该设备管程的设计压力远大于壳程，必须考虑换热管与管板连接接头严密性试验。①换热管和管板的道焊缝用0.05～0.1MPa的空气试漏。②换热管和管板的较后一道焊缝（在壳程水压试验前）充入10%～30%（体积）氨气进行氨渗漏。管程水压试验后应对管程衬里进行致密性试验以保证高压设备的安全，采用充入100%氨气法进行氨渗漏：将氨气从高压检漏孔充入外壳与松衬的间隙内，充氨压力达2～3kPa,核算容器松衬在此外压作用下不失稳。

6 结束语

高压甲铵冷凝器制造完成后进行了更换，经过一年多的运行考核，安全平稳，各项性能参数达到了设计指标，满足了尿素年产52万吨的生产能力。故高压甲铵冷凝器的国产化非常成功，并达到了国内先进水平。