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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 文檔來源： 1．中鹽株洲化工集團有限責(zé)任公司設(shè)計院 2．湖南智成化工有限公司工程部		點擊數(shù)：	更新時間： 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．中鹽株洲化工集團有限責(zé)任公司設(shè)計院湖南株洲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個月就要更換一臺。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，延長使用受命是本文的重點。
【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)來的尿液，經(jīng)閃蒸槽后
進入一、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展，
直至管端附近穿孔。300ram以下的
管子幾乎不產(chǎn)生腐蝕(見圖1)。腐
蝕面呈白亮無鈍化膜，有明顯的
沿尿液流動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)帶來了極大的不便，
因此各氮肥企業(yè)對其改造作了大
量的工作，如采用列管加長伸出
法、設(shè)備倒置法等來延長使用壽
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。上述分析只是問題的
一個方面，因為這時氣體雖然以
超音速流動，但尿液流速如何?
氣液兩相在垂管內(nèi)的流動狀態(tài)如
何?列管的腐蝕機理究竟如何?
這些便是本節(jié)重點討論和分析的
問題。
2．1二段蒸發(fā)加熱器物料衡算
由于工藝原因， 使得進入
二段蒸發(fā)加熱器的尿液濃度一
般都達不到設(shè)計值96％，實際生
產(chǎn)時一般為94％ ，因此造成二段
蒸發(fā)的負(fù)荷增大。為便于分析
比較，對設(shè)計值和實際值同時
進行計算， 當(dāng)尿液濃度為94％
時，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_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
收入項目 公斤 公斤分子 支出項目 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 1045 57 1045 6O
(1067 67) (1067 70)
注：括號內(nèi)為實際生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)， 下同。
2．2管程出口端物料流動狀態(tài)
在生產(chǎn)負(fù)荷不飽和時，為滿
足尿素一級品要求，通常雙系統(tǒng)
三機量情況下只開一套蒸發(fā)，此
時的生產(chǎn)強度G=18t／h，以此負(fù)荷
量進行流動狀態(tài)判斷，較接近實
佟建萍女工程師，中鹽湖南株洲化工集團有限責(zé)任公司設(shè)計院設(shè)
備室主任。中國化工機械動力協(xié)會理事。
際工況。下面分別對尿液、蒸發(fā)蒸
汽以及汽、液混合狀態(tài)下的流動
狀態(tài)進行判斷。
(1)管程出口端尿液流動狀態(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
尿液運動粘度： = ，／9，=2．33口
10-3／1．2213103=1．91[]10-6~ ／-
得 一口 ．．=2198>2100
由此可見尿液在管程出口端的流
動狀態(tài)為湍流。
(2)管程出口端蒸發(fā)蒸汽的流
動狀態(tài)
見表2每噸尿素蒸發(fā)蒸汽量的設(shè)
計值和實際值分別為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)計值：[]n=2248qq3；實際值：
([11)=(3375)韌
這時蒸發(fā)蒸汽的流速為：
設(shè)計值：v n=Vg~G／A=I ．98[]106m／
h=550m／s
實際值：(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
．
·
． 蒸汽運動粘度Y = ／p =
6．94D10 千2／-
．
·
． 雷諾數(shù)設(shè)計值：．·．．=v 口／
= 1．67[]10 ；實際值：(．’ )=(V =
(2．5口105)
可見無論是設(shè)計狀態(tài)下還是
實際工況中蒸發(fā)蒸汽流速均在超
聲音狀態(tài)下，其管程出口端的流
動狀態(tài)均為湍流。
(3)管程汽液兩相流動狀態(tài)判
斷
通過上面的計算得知汽液都
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
相流動狀態(tài)推定圖對混合相流動
狀態(tài)進行判斷。即分別求出
Martinetti(馬迪利)參數(shù)x和質(zhì)量
速度GL，再利用推定圖進行流動
狀態(tài)判斷。通過計算(過程略)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
管內(nèi)流狀推定圖，得出兩相流動
狀態(tài)處于噴霧流。1 1萬噸裝置的二
段蒸發(fā)加熱器按設(shè)計值求得的G
和1／Xtt得出的兩相流動狀態(tài)處于
環(huán)狀流和噴霧流的過渡區(qū)。但在
一段蒸發(fā)后的尿液濃度達不到設(shè)
計值96％時，則此時的兩相流動狀
態(tài)也同樣處于噴霧流。
2．3列管腐蝕機理
因管程汽液兩相流動狀態(tài)處
于噴霧流。而文獻[11要求此時的流
動狀態(tài)處于環(huán)狀流， 以使其達到
升膜作用。在環(huán)狀流中，液體在垂
直管壁面上形成環(huán)狀流動的液膜，
氣體則在管芯經(jīng)縱向流動以帶動
環(huán)形液膜的上升。這種狀態(tài)應(yīng)該
說是二段蒸發(fā)加熱器的最佳工作
狀態(tài)。此時環(huán)形液膜對管壁材料
起著保護作用，使高速氣流與管
壁隔離，但實際上這種理想流動
狀態(tài)被一段蒸發(fā)尿液濃度沒有達
到工藝指標(biāo)96％，流動狀態(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)時其流動狀態(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，到達出口端
時，幾乎接近蒸汽流速，腐蝕便從
高速流動的尿液噴霧流開始產(chǎn)生。
這種由高速流動的腐蝕介質(zhì)，使
腐蝕過程加速的狀態(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)對流體進行流動
狀態(tài)判斷，通常認(rèn)為流體狀態(tài)處
于噴霧流時開始產(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。因此對于靠鈍化膜防腐的不
銹鋼來說，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，一般沿流體的流動方向
切人金屬表面層，這一現(xiàn)象與實
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
流動狀態(tài)，在蒸發(fā)工序中不可行。
于是解決問題的著眼點只能放在
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，進入蒸發(fā)
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系統(tǒng)尿液中的氧濃度極低， 以
致無法使不銹鋼鈍化。那么這
時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?這便是問題的關(guān)鍵所在。
為此我們通過對二分塔出口尿
液和一表冷冷凝液中游離氧的
測定，證實了進入蒸發(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
下進行掛片試驗， 并從中找到
了在不改變流動狀態(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
材料鈍化的氧含量僅為零點幾
個ppm即可。實驗表明，這些材
料對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。另據(jù)文獻指
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。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)有色金屬的價格都比
較昂貴， 加工制造費用也比較
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
進行了改造并重新設(shè)計，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腐蝕介質(zhì)中
抗磨損腐蝕性能，在1988年按新技
術(shù)設(shè)計改造制作的第一臺二段蒸
發(fā)加熱器，通過近20年的運行，沒
有發(fā)現(xiàn)任何磨損腐蝕現(xiàn)象。近年來
我們?yōu)槎嗉抑行〉势髽I(yè)設(shè)計和
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】中國環(huán)球化學(xué)工程公司，中國武漢化工工程公司《氮肥工藝設(shè)計手冊 M】北
京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988，P159，
[2】《=化學(xué)工程手冊》編輯委員會《化學(xué)工程手冊》第七篇[M】北京：化學(xué)工業(yè)出
版社， 1986，P62．
【3】黃永昌《金屬腐蝕與防護原理》【M】上海：上海交大出版社，1989，P113．
【4】蘭州石油機械研究所《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=》【M】北京：石油工業(yè)出版社，1983，P23，
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