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二段蒸發(fā)加熱器列管腐蝕分析

文檔作者：佟建萍黃亞平z 文檔來(lái)源： 1．中鹽株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)院 2．湖南智成化工有限公司工程部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月29日
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壤馕
54 Jl 石油和化T設(shè)釜}． 2008，08
二段蒸發(fā)加熱器列管
腐蝕分析
佟建萍， 黃亞平z
(1．中鹽株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)院湖南株洲41 2004)
(2．湖南智成化工有限公司工程部湖南株洲41 2004)
【摘要】在中小型氮肥企業(yè)的尿素裝置中，二段蒸發(fā)加熱器列管的腐蝕失效，是
尿素生產(chǎn)中的難題之一，通常3-6個(gè)月就要更換一臺(tái)。分析二段蒸發(fā)加熱器列管的
腐蝕失效原因，尋找解決途徑，延長(zhǎng)使用受命是本文的重點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】沖刷磨損腐蝕失效解決途徑
1 尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝流程
及二段蒸發(fā)加熱器列管的腐蝕
情況
1．1尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝流程
由尿素合成塔一、二段循環(huán)
回收系統(tǒng)來(lái)的尿液，經(jīng)閃蒸槽后
進(jìn)入一、二段蒸發(fā)分離系統(tǒng)，使尿
液濃度由74％ 經(jīng)一段蒸發(fā)分離后
提高到96％，再經(jīng)二段蒸發(fā)分離后
提高到99．7％，從而達(dá)到送造粒塔
造粒的要求。二段蒸發(fā)加熱器是
蒸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，一般
分為分體式(加熱器與分離器分
體單獨(dú)設(shè)置)和內(nèi)插式(加熱器內(nèi)
置于二蒸分離器下部300ram)兩種
形式，加熱器均為固定管板式。技
術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
1．2列管腐蝕情況
二段蒸發(fā)加熱器列管的腐蝕
破壞均發(fā)生在上管板附近的內(nèi)壁，
距上管板約300mm 的管子均發(fā)現(xiàn)
腐蝕痕跡，腐蝕從下至上逐漸加
劇，管子呈喇叭狀向上均勻擴(kuò)展，
直至管端附近穿孔。300ram以下的
管子幾乎不產(chǎn)生腐蝕(見(jiàn)圖1)。腐
蝕面呈白亮無(wú)鈍化膜，有明顯的
沿尿液流動(dòng)方向切入管壁表面的
溝痕，圓孔等缺陷，管端腐蝕穿孔
處的管壁斷面薄如刀口。
由于列管腐蝕穿孔，殼程加
熱蒸汽串入真空的管程，破壞了
二段蒸發(fā)的真空度，使成品尿素
水份增加，質(zhì)量下降，從而被迫停
車更換。
由于二段蒸發(fā)加熱器的腐蝕
給尿素生產(chǎn)帶來(lái)了極大的不便，
因此各氮肥企業(yè)對(duì)其改造作了大
量的工作，如采用列管加長(zhǎng)伸出
法、設(shè)備倒置法等來(lái)延長(zhǎng)使用壽
命，但都不能有效的阻止腐蝕的
產(chǎn)牛。
2 列管的腐蝕機(jī)理分析
通常認(rèn)為是由于沖刷所致。
其理由是：從二段蒸發(fā)加熱器底部
來(lái)的94—96％的尿液，沿列管自下
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而上，在加熱和真空條件下，尿液
中的水份逐漸汽化，在接近列管
出口端的流速均超過(guò)音速，超音
速的氣流使列管很快被沖刷減薄，
直至穿孔。上述分析只是問(wèn)題的
一個(gè)方面，因?yàn)檫@時(shí)氣體雖然以
超音速流動(dòng)，但尿液流速如何?
氣液兩相在垂管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)如
何?列管的腐蝕機(jī)理究竟如何?
這些便是本節(jié)重點(diǎn)討論和分析的
問(wèn)題。
2．1二段蒸發(fā)加熱器物料衡算
由于工藝原因， 使得進(jìn)入
二段蒸發(fā)加熱器的尿液濃度一
般都達(dá)不到設(shè)計(jì)值96％，實(shí)際生
產(chǎn)時(shí)一般為94％ ，因此造成二段
蒸發(fā)的負(fù)荷增大。為便于分析
比較，對(duì)設(shè)計(jì)值和實(shí)際值同時(shí)
進(jìn)行計(jì)算， 當(dāng)尿液濃度為94％
時(shí)，尿液中水份含量可由下式求
得：997．03／(997．03+H 0)=0．94所
以，H 0=63．64kg，其它物料衡算值
參照文獻(xiàn)_l1，現(xiàn)將物料衡算值列于
表2。
名 稱 殼程 管程
工作壓力 1 15MPa 0 003MPa (絕)
工作溫度 189℃ 13O～140oC
物料名稱 飽和蒸汽 尿素溶液
傳熱面積 7 5m。(11 JS D~／年裝置為13m )
主要材料 Q235 316L
規(guī)格 DN300X6X2000 中25X2 n=59
收入項(xiàng)目 公斤 公斤分子 支出項(xiàng)目 公斤 公斤分子
一段蒸發(fā) 1045．57 18 992 二段蒸發(fā) 44．O6 2 274
后尿液 (1067 67) (20 22) 蒸汽 (66 16) (3 503)
其中：尿素 997 O3 16 614 其中：CO 1 1 0．025
縮二脲 7 0 068 NH 1 18 0 069
H20 41 54 2．31 H。0 38．O8 2 118
(63 64) (3 54) (60．18) (3 347)
尿素 3 7 0 062
二段蒸發(fā) 1OO1．53
后熔融物
其中：尿素 989 53
縮二脲 9
H20 3 O1
總計(jì) 1045 57 1045 6O
(1067 67) (1067 70)
注：括號(hào)內(nèi)為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)， 下同。
2．2管程出口端物料流動(dòng)狀態(tài)
在生產(chǎn)負(fù)荷不飽和時(shí)，為滿
足尿素一級(jí)品要求，通常雙系統(tǒng)
三機(jī)量情況下只開(kāi)一套蒸發(fā)，此
時(shí)的生產(chǎn)強(qiáng)度G=18t／h，以此負(fù)荷
量進(jìn)行流動(dòng)狀態(tài)判斷，較接近實(shí)
佟建萍女工程師，中鹽湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)院設(shè)
備室主任。中國(guó)化工機(jī)械動(dòng)力協(xié)會(huì)理事。
際工況。下面分別對(duì)尿液、蒸發(fā)蒸
汽以及汽、液混合狀態(tài)下的流動(dòng)
狀態(tài)進(jìn)行判斷。
(1)管程出口端尿液流動(dòng)狀態(tài)
由表2可知，出二段蒸加熱器
的熔融物為1001．54K~t尿素，并已
知尿液重度p~=1220kg／m，，出加熱
器尿液體積量則為口 =0．821T@／．．尿
素。又知生產(chǎn)負(fù)荷為G=I8 t／h，列
管橫截面積A=0．0204mz因此管程出
口端尿液流速為V =v~G／A=723．5T-／
h=0．2T-／s
00。．。。。石油和化工設(shè)備f 55
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馕
求雷諾數(shù)：已知尿液粘度為：
= 2．33 X 10- kg／rnDs
尿液運(yùn)動(dòng)粘度： = ，／9，=2．33口
10-3／1．2213103=1．91[]10-6~ ／-
得 一口 ．．=2198>2100
由此可見(jiàn)尿液在管程出口端的流
動(dòng)狀態(tài)為湍流。
(2)管程出口端蒸發(fā)蒸汽的流
動(dòng)狀態(tài)
見(jiàn)表2每噸尿素蒸發(fā)蒸汽量的設(shè)
計(jì)值和實(shí)際值分別為44．06kg和 1∞ ，
已知蒸汽重度為p口=0．0196 kg／m
．
·
． 管程出口端蒸汽體積為：
設(shè)計(jì)值：[]n=2248qq3；實(shí)際值：
([11)=(3375)韌
這時(shí)蒸發(fā)蒸汽的流速為：
設(shè)計(jì)值：v n=Vg~G／A=I ．98[]106m／
h=550m／s
實(shí)際值：(v )=(Vg)口G／A=(2．98口
(106)m／h=(827)m／s
求雷諾數(shù)： 已知：蒸汽粘度
Its=1．36 X 10一 kg／m [Is
蒸汽重度p =O．0196 kg／m
．
·
． 蒸汽運(yùn)動(dòng)粘度Y = ／p =
6．94D10 千2／-
．
·
． 雷諾數(shù)設(shè)計(jì)值：．·．．=v 口／
= 1．67[]10 ；實(shí)際值：(．’ )=(V =
(2．5口105)
可見(jiàn)無(wú)論是設(shè)計(jì)狀態(tài)下還是
實(shí)際工況中蒸發(fā)蒸汽流速均在超
聲音狀態(tài)下，其管程出口端的流
動(dòng)狀態(tài)均為湍流。
(3)管程汽液兩相流動(dòng)狀態(tài)判
斷
通過(guò)上面的計(jì)算得知汽液都
為湍流，且二段蒸發(fā)加熱器均為
立式安裝， 因此可用垂直管內(nèi)兩
相流動(dòng)狀態(tài)推定圖對(duì)混合相流動(dòng)
狀態(tài)進(jìn)行判斷。即分別求出
Martinetti(馬迪利)參數(shù)x和質(zhì)量
速度GL，再利用推定圖進(jìn)行流動(dòng)
狀態(tài)判斷。通過(guò)計(jì)算(過(guò)程略)得
56 J石油和化工設(shè)苗． 0。。
出質(zhì)量速度G ：1．18 X 10 kg／m2口h，
馬迪利參數(shù)的倒數(shù)1／X¨：=8．64查對(duì)
管內(nèi)流狀推定圖，得出兩相流動(dòng)
狀態(tài)處于噴霧流。1 1萬(wàn)噸裝置的二
段蒸發(fā)加熱器按設(shè)計(jì)值求得的G
和1／Xtt得出的兩相流動(dòng)狀態(tài)處于
環(huán)狀流和噴霧流的過(guò)渡區(qū)。但在
一段蒸發(fā)后的尿液濃度達(dá)不到設(shè)
計(jì)值96％時(shí)，則此時(shí)的兩相流動(dòng)狀
態(tài)也同樣處于噴霧流。
2．3列管腐蝕機(jī)理
因管程汽液兩相流動(dòng)狀態(tài)處
于噴霧流。而文獻(xiàn)[11要求此時(shí)的流
動(dòng)狀態(tài)處于環(huán)狀流， 以使其達(dá)到
升膜作用。在環(huán)狀流中，液體在垂
直管壁面上形成環(huán)狀流動(dòng)的液膜，
氣體則在管芯經(jīng)縱向流動(dòng)以帶動(dòng)
環(huán)形液膜的上升。這種狀態(tài)應(yīng)該
說(shuō)是二段蒸發(fā)加熱器的最佳工作
狀態(tài)。此時(shí)環(huán)形液膜對(duì)管壁材料
起著保護(hù)作用，使高速氣流與管
壁隔離，但實(shí)際上這種理想流動(dòng)
狀態(tài)被一段蒸發(fā)尿液濃度沒(méi)有達(dá)
到工藝指標(biāo)96％，流動(dòng)狀態(tài)由環(huán)狀
流遷移到噴霧流，液流全部被氣
流吹散，成為液滴，形成霧狀。尿
液在加熱蒸發(fā)時(shí)其流動(dòng)狀態(tài)變化
為噴霧流區(qū)域即為前面所述300ram
腐蝕段，也為高壓蒸汽進(jìn)口位置。
由于流體狀態(tài)發(fā)生了變化，使得
尿液流速急劇上升，到達(dá)出口端
時(shí)，幾乎接近蒸汽流速，腐蝕便從
高速流動(dòng)的尿液噴霧流開(kāi)始產(chǎn)生。
這種由高速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)，使
腐蝕過(guò)程加速的狀態(tài)，在腐蝕工
程上稱之為磨損腐蝕或磨耗腐蝕，
也即沖刷腐蝕。磨損腐蝕一般發(fā)
生在流速高于某一臨界值時(shí)產(chǎn)生
的一種腐蝕破壞形式。這一臨界
值用馬迪利參數(shù)對(duì)流體進(jìn)行流動(dòng)
狀態(tài)判斷，通常認(rèn)為流體狀態(tài)處
于噴霧流時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生磨損腐蝕，其
磨損腐蝕速率隨流體速度的增加
而增加。另一方面，在尿素生產(chǎn)
中，不銹鋼的抗腐蝕性能主要是
靠連續(xù)加氧使金屬表面生成完整、
致密的鈍化膜作為陽(yáng)極緩蝕劑緣
故。金屬的抗磨損腐蝕性能與鈍
化膜的質(zhì)量有關(guān)， 即與膜的生成
難易、成膜速度、膜的自修復(fù)能力
等因素有關(guān)。但由于加入尿素裝
置中0．5％ 的氧，經(jīng)過(guò)一、二段循環(huán)
回收和一段蒸發(fā)等工序的分解分
離，使得進(jìn)入二蒸加熱器尿液的
氧濃度極低，不足以使不銹鋼鈍
化。因此對(duì)于靠鈍化膜防腐的不
銹鋼來(lái)說(shuō)，當(dāng)膜的自修復(fù)能力不
足，并受到腐蝕介質(zhì)的高速磨損
后，其腐蝕速度急劇上升。
受到磨損腐蝕的金屬表面呈
現(xiàn)出有方向性的槽溝、波紋、圓孔
和小谷，一般沿流體的流動(dòng)方向
切人金屬表面層，這一現(xiàn)象與實(shí)
際看到的腐蝕現(xiàn)象是相吻合的。
綜上所述：二段蒸發(fā)加熱器列管的
腐蝕主要是由于流體狀態(tài)處在噴
霧流，使尿液流速增加，在低氧情
況下，列管材料不能形成有效的
鈍化膜，導(dǎo)致磨損腐蝕的產(chǎn)生。
3 合理選材的理論依據(jù)
從前一節(jié)分析可知，二段蒸
發(fā)加熱器的磨損腐蝕與流體的流
動(dòng)狀態(tài)和材料的自鈍化能力有關(guān)。
因此要從根本上解決磨損腐蝕必
須從上述兩方面著手。但要改變
流動(dòng)狀態(tài)，在蒸發(fā)工序中不可行。
于是解決問(wèn)題的著眼點(diǎn)只能放在
材料的自鈍化能力上。
3．1選材的理論依據(jù)
經(jīng)前面分析得知，進(jìn)入蒸發(fā)
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系統(tǒng)尿液中的氧濃度極低， 以
致無(wú)法使不銹鋼鈍化。那么這
時(shí)的氧濃度究竟為多少? 還能
否使所選材料鈍化? 鈍化后，
在該介質(zhì)中抗磨損腐蝕能力又
如何?這便是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
為此我們通過(guò)對(duì)二分塔出口尿
液和一表冷冷凝液中游離氧的
測(cè)定，證實(shí)了進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)的
尿液中仍有微量游離氧的存在。
其中二分塔游離氧含量大于
0．339mg／L，一表冷冷凝液中游
離氧含量大于0．06mg／L，而使不
銹鋼鈍化的氧含量不小于
1 0PPm。顯然該工藝條件下的
氧，已不足以使不銹鋼鈍化，在
低氧條件下3 1 6L不銹鋼處在不
耐腐蝕區(qū)間， 其腐蝕率大于
20mm／Y。為此，我們用不同有色
金屬及其合金在不同工藝條件
下進(jìn)行掛片試驗(yàn)， 并從中找到
了在不改變流動(dòng)狀態(tài)的前提下，
滿足不同工藝條件的抗磨損腐
蝕破壞的不同材料。而使這些
材料鈍化的氧含量?jī)H為零點(diǎn)幾
個(gè)ppm即可。實(shí)驗(yàn)表明，這些材
料對(duì)尿素一一甲銨溶液在缺氧
情況下引起腐蝕的敏感性較低，
而處于完全耐腐蝕區(qū)間，腐蝕
率僅為0．1 m m／Y。另?yè)?jù)文獻(xiàn)指
出，在大多數(shù)氧化物、中性及微
還原性介質(zhì)中， 由于這些材料
具有迅速修復(fù)其鈍化膜的能力，
因而在這種介質(zhì)中耐沖刷腐蝕
能力很強(qiáng)。而純尿素熔融物正
是一種中性或微還原性介質(zhì)，
這些材料完全能解決磨損腐蝕
的破壞。用這些新材料制作的
二段蒸發(fā)加熱器，在不同工藝
條件下均具有良好的抗磨損腐
蝕性能。
3．2結(jié)構(gòu)改造，降低加工成本
大多數(shù)有色金屬的價(jià)格都比
較昂貴， 加工制造費(fèi)用也比較
高。有色金屬與黑色金屬的可焊
性又很差。為此，我們從結(jié)構(gòu)上
進(jìn)行了改造并重新設(shè)計(jì)，即在不
同的工藝條件下采用不同的材
料，不同的結(jié)構(gòu)，使制造成本降
低。目前，無(wú)論在分體式或內(nèi)插
式兩種類型的二段蒸發(fā)加熱器上
均采用了該技術(shù)，并達(dá)到了抗腐
蝕的目的。也大大降低了加工制
造成本。
4 改造后二段蒸發(fā)加熱器的
使用效果
改造后的二段蒸發(fā)加熱器具
有良好的在高速流動(dòng)腐蝕介質(zhì)中
抗磨損腐蝕性能，在1988年按新技
術(shù)設(shè)計(jì)改造制作的第一臺(tái)二段蒸
發(fā)加熱器，通過(guò)近20年的運(yùn)行，沒(méi)
有發(fā)現(xiàn)任何磨損腐蝕現(xiàn)象。近年來(lái)
我們?yōu)槎嗉抑行〉势髽I(yè)設(shè)計(jì)和
制造了不同型式的二段蒸發(fā)加熱
器，使用效果均很好。幽
【1】中國(guó)環(huán)球化學(xué)工程公司，中國(guó)武漢化工工程公司《氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) M】北
京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988，P159，
[2】《=化學(xué)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì)《化學(xué)工程手冊(cè)》第七篇[M】北京：化學(xué)工業(yè)出
版社， 1986，P62．
【3】黃永昌《金屬腐蝕與防護(hù)原理》【M】上海：上海交大出版社，1989，P113．
【4】蘭州石油機(jī)械研究所《換熱器(中)》【M】北京：烴加工出版社，1988，P102，
【5】【美】A·約翰·塞德賴克斯《不銹鋼的腐蝕》【M】北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986，
P23．
【6】【英】V·R普路德克《腐蝕控制與設(shè)計(jì)=》【M】北京：石油工業(yè)出版社，1983，P23，
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