李祥榮

(福建古雷石化有限公司，福建 漳州 363200)

0 引言

在化工生產(chǎn)的制冷系統(tǒng)中，冷凍機(jī)的氨蒸發(fā)器為整個冷卻循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)泄漏情況將給供氨系統(tǒng)運(yùn)行帶來安全威脅。氨蒸發(fā)器反復(fù)出現(xiàn)泄漏問題，頻繁開展設(shè)備檢修工作，將造成系統(tǒng)無法連續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致生產(chǎn)效益下降。因此結(jié)合螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏實例，通過查找泄漏原因提出有效設(shè)備管理對策，為生產(chǎn)系統(tǒng)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力技術(shù)支撐。

1 螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏現(xiàn)象

氨(NH3) 有單位制冷量大、成本低、壓力適中、與油不相溶且易分離、泄漏易發(fā)現(xiàn)等優(yōu)勢，被廣泛用于工業(yè)制冷系統(tǒng)中。某化工企業(yè)考慮到單位需要的冷量較大，配備了一套以氨為制冷劑，以鹽水為載冷劑的螺桿壓縮制冷系統(tǒng)，其工作流程如圖1 所示。合成氨系統(tǒng)通過氨冷器實現(xiàn)工藝氣的氣液分離，分離出的氣氨部分進(jìn)入到制氨水系統(tǒng)中，剩余進(jìn)入到冷凍系統(tǒng)中。冷凍系統(tǒng)由連接的冰機(jī)和氨蒸發(fā)器構(gòu)成，出口與冷凍液氨小槽連接，液氨管道上安裝有調(diào)節(jié)閥。氣氨進(jìn)入到冷凍機(jī)后，經(jīng)過螺桿壓縮和換熱器冷凝后，將產(chǎn)生高壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器實現(xiàn)熱交換。在氨水需求量較大時，液氨球罐為制氨水系統(tǒng)液氨蒸發(fā)器補(bǔ)充液氨，并關(guān)斷多余氣氨進(jìn)入冷凍系統(tǒng)的通路，載冷劑將通過外部儲罐進(jìn)入到蒸發(fā)器管束中。氨合成工藝為放熱過程，利用氨介質(zhì)和鹽水實現(xiàn)熱交換，能夠促進(jìn)合成氨反應(yīng)進(jìn)行，并實現(xiàn)冷媒循環(huán)利用。利用氨冷器分離出的氣氨制備氨水，可以降低冷凍機(jī)功耗，提高氨水制備效率。

圖1 氨水制冷工藝流程

冷凍機(jī)型號為SRSW-8500，包含兩臺設(shè)備，每臺設(shè)備配備2 個半封閉式螺桿壓縮機(jī)頭，殼程內(nèi)通入液氨制冷，冰點為-77.7 ℃，管程內(nèi)通入鹽水，冰點為-18 ℃，設(shè)備制冷量達(dá)805 kW。使用的氨蒸發(fā)器為列管式熱交換器，設(shè)備主要參數(shù)如表1 所示，內(nèi)部包含直徑25 mm×2 mm 的6 850 根換熱管。

表1 氨蒸發(fā)器參數(shù)表

設(shè)備于2021 年3 月投產(chǎn)，運(yùn)行不到一年氨蒸發(fā)器多次發(fā)生泄漏，造成機(jī)組停機(jī)檢修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。2022 年5 月，機(jī)組冷媒發(fā)生了明顯泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)一處爆管，更換后累計運(yùn)行60 h 后設(shè)備進(jìn)入到低壓聯(lián)鎖狀態(tài)，無法啟動。再次檢修發(fā)現(xiàn)氨蒸發(fā)器輸出位置出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，如圖2 所示，造成冷凍水系統(tǒng)倒空，停止循環(huán)作業(yè)。

圖2 氨蒸發(fā)器管束低溫脆性斷裂

2 螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏原因

2.1 外觀檢驗

為確定導(dǎo)致蒸發(fā)器管束爆裂和斷裂的根本原因，對氨蒸發(fā)器進(jìn)行解體檢查，確定筒體外觀是否存在裂縫等缺陷，并通過對殼程加水完成泄漏量檢查。經(jīng)過撿漏后，確認(rèn)存在21 根列管泄漏，漏點在靠近蒸發(fā)器出口端位置。換熱管兩端使用管板固定，通過密封焊形式連接管道。檢查兩端列管口，均能發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)存在銹斑，發(fā)生輕度腐蝕。在氨水隨著循環(huán)水進(jìn)入敞開循環(huán)水池后，氨與水產(chǎn)生放熱反應(yīng)，溫度迅速升高，促使蒸發(fā)器內(nèi)部液氨氣化，涌入吸氨器，吸收大量熱[1]。氨通過空氣吸熱，造成周圍溫度迅速下降，空氣中水凝結(jié)在管外壁上，導(dǎo)致出口端管束脆性斷裂。

2.2 失效分析

對可能造成氨蒸發(fā)器換熱管失效的原因展開分析，可知包含設(shè)計、制造和使用3 個層面的多重因素。

首先，換熱管失效可能與氨蒸發(fā)器設(shè)計不合理有關(guān)。如列管工作壓力發(fā)生波動，將導(dǎo)致液氮蒸發(fā)溫度超出材料設(shè)計溫度下限，引發(fā)列管脆性斷裂風(fēng)險。而設(shè)備底部積液罐容積過大，聚集大量液氮，在液位計難以精準(zhǔn)反映真實液位時，系統(tǒng)停車后液氨排不干凈，也將引起列管斷裂。

其次，換熱管失效可能與列管制造因素相關(guān)。在設(shè)備殼程中含有液氨介質(zhì)的情況下，不會給碳鋼、低合金鋼等材料帶來嚴(yán)重腐蝕，但可能導(dǎo)致局部鈍化膜被破壞，引發(fā)管道腐蝕問題[2]。受管道加工和檢修帶來的殘余應(yīng)力影響，管道局部可能存在應(yīng)力集中點，如列管和折流板交接位置容易發(fā)生應(yīng)力集中問題，造成管道受拉應(yīng)力、腐蝕性介質(zhì)的作用，發(fā)生脆性破壞、應(yīng)力腐蝕，引發(fā)細(xì)小裂紋等缺陷產(chǎn)生。

最后，換熱管失效可能與操作習(xí)慣不良有關(guān)。在螺桿冷凍機(jī)運(yùn)行期間，氨蒸發(fā)器并非不間斷的工作，每次結(jié)束階段性工作時要求殼程內(nèi)液氨全部蒸發(fā)，循環(huán)水全部排出。每天多次開停車，停車時間在2～3 h之間，容易給操作人員帶來錯誤認(rèn)知，在停車后未排出循環(huán)水，蒸發(fā)器內(nèi)也賦存少量液氨，后續(xù)則容易發(fā)生脆性斷裂情況。在循環(huán)水系統(tǒng)中，溫度最低點為出口端，因此在循環(huán)水停止流動后該處最容易發(fā)生脆性裂紋。此外，操作人員憑借經(jīng)驗反復(fù)操作進(jìn)液氨閥門，調(diào)整氨蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)液位，將導(dǎo)致交變操作壓力產(chǎn)生，引發(fā)機(jī)械應(yīng)力、操作溫度和熱應(yīng)力交變[3]。在多重荷載作用下，列管將出現(xiàn)脆性裂紋，出現(xiàn)失效問題。

2.3 材質(zhì)檢測

采用光譜分析儀對失效管道化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2 所示，可知換熱管材質(zhì)符合10 號碳鋼管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。對失效鋼管進(jìn)行打磨、拋光后，利用金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)管道帶有塊粒狀鐵素體，呈現(xiàn)出片狀珠光體結(jié)構(gòu)，各位相晶粒大小相同，等級為8 級。

表2 失效蒸發(fā)器換熱管化學(xué)成分

使用掃描電鏡對鋼管開裂斷口進(jìn)行微觀形貌檢查，如圖3 所示，呈現(xiàn)河流狀花樣，裂紋在不同結(jié)晶面解理擴(kuò)展，相連形成臺階，不存在韌性斷裂痕跡，判斷為脆性開裂。

圖3 換熱管斷口微觀形貌

2.4 原因判定

在綜合考量導(dǎo)致氨蒸發(fā)器換熱管失效的因素后，對管道材質(zhì)展開分析，確定均為鐵素體和珠光體，不存在材質(zhì)問題。氨蒸發(fā)器底部積液罐經(jīng)過檢查和試驗后，確認(rèn)符合系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范要求，不存在引發(fā)管道斷裂的隱患。換熱管內(nèi)、外表面僅存在輕微銹蝕，同時管壁平整、光滑，不存在減薄情況，基本可以排除腐蝕因素。裂紋沿著管壁厚方向擴(kuò)展，不具備應(yīng)力腐蝕裂紋特征，能排除應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致管道開裂的可能性。從斷口裂紋形貌來看，不具備海灘或貝殼狀條紋，判斷裂紋并未由疲勞腐蝕導(dǎo)致。從裂口微觀特征來看，裂開金屬件不存在金屬片連接，且塑性開裂管道裂口較短，由此可排除因管道超壓而引發(fā)的裂紋。

通過反復(fù)分析后，初步鎖定管道裂紋由設(shè)備工藝操作引發(fā)。對設(shè)備工藝運(yùn)行情況展開分析，結(jié)合氨蒸發(fā)器技術(shù)特性可知，殼程介質(zhì)為液氨，一旦工藝操作期間出現(xiàn)壓力下降情況，將造成蒸發(fā)溫度隨之下降，超出-20 ℃將造成材料韌性、塑性迅速下降，脆性隨之增加，無法有效抑制裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。觀察爆裂管道內(nèi)、外表面，發(fā)現(xiàn)啟裂的裂紋數(shù)量主要分布與外表面，與外表面接觸溫度更低有關(guān)。隨著管道承載力下降，受到工作壓力作用，管道將沿著軸向由內(nèi)向外破裂。此外，氨蒸發(fā)器列管也存在少數(shù)因應(yīng)力腐蝕而出現(xiàn)的細(xì)小裂紋，盡管未給管道表面整體帶來破壞，但反映出管道長期受介質(zhì)沖擊腐蝕作用[4]。采用焊接堵管方式修復(fù)，焊口周圍列管將受到高溫應(yīng)力作用，發(fā)生輕微變形，可能出現(xiàn)新的漏洞。

3 螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏應(yīng)對策略

3.1 泄漏處理

確定螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏原因后，應(yīng)做好泄漏處理，為避免采取焊接堵管方式造成新漏點產(chǎn)生，需直接更換泄漏的21 根列管，并在有條件的情況下完成其他列管更換，全面提升管道運(yùn)行可靠性。結(jié)合化學(xué)成分和金相組織檢驗等結(jié)果可知，鋼材質(zhì)基本符合氨蒸發(fā)器換熱管使用要求。

3.2 泄漏預(yù)防

為防止換熱管泄漏問題反復(fù)發(fā)生，日常應(yīng)加強(qiáng)冷凍機(jī)操作、檢修等作業(yè)監(jiān)督，要求相關(guān)人員熟悉冷凍機(jī)性能和聯(lián)鎖保護(hù)項目，每次開關(guān)機(jī)前做好出口流量開關(guān)等設(shè)備檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時通知專業(yè)人員處理。在設(shè)備檢修方面，每次應(yīng)完成冷凍機(jī)報警、聯(lián)鎖實驗，確認(rèn)保護(hù)裝置完好。為指導(dǎo)人員規(guī)范作業(yè)，應(yīng)編寫冷凍機(jī)操作卡，并加強(qiáng)人員操作技能培訓(xùn)，防止因人為操作導(dǎo)致設(shè)備損壞。如在設(shè)備短期停車過程中，應(yīng)確認(rèn)循環(huán)水系統(tǒng)不停車，按照流程先將進(jìn)口液氨位置截止閥關(guān)閉，使液氨蒸發(fā)壓力維持在0.6 MPa，直至液位下降至零，將底部氣氨出口閥關(guān)閉，并將緩沖罐氣氨進(jìn)口截止閥關(guān)閉，維持蒸發(fā)器內(nèi)部壓力穩(wěn)定，最后關(guān)閉蒸發(fā)器蒸汽，觀測設(shè)備壓力、溫度等參數(shù)是否存在異常。在設(shè)備長期停車情況下，應(yīng)確認(rèn)氨蒸發(fā)器內(nèi)液氨全部蒸發(fā)完成，然后循環(huán)水才能關(guān)閉，直至蒸發(fā)器外部不再出現(xiàn)水痕，緩慢泄放氨蒸發(fā)器內(nèi)部壓力，將蒸汽閥組關(guān)閉，使用氮氣完成蒸發(fā)器和管道內(nèi)氣體置換。使人員持證上崗，并定期開展工序檢查工作，納入崗位績效考核范疇，能夠提高人員責(zé)任意識，督促人員嚴(yán)格按照操作卡開閉氨蒸發(fā)器，降低換熱管泄漏事件發(fā)生幾率。

在短時間內(nèi)無法完成全部氨蒸發(fā)器換熱管更換，在部分管道可能已經(jīng)發(fā)生疲勞應(yīng)力的情況下，為防止列管發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)將蒸發(fā)器壓力控制在0.4～0.6 MPa之間，使蒸發(fā)溫度達(dá)到0 ℃以上?？紤]到設(shè)備工作壓力、溫度等參數(shù)可能發(fā)生變化，應(yīng)配備精準(zhǔn)儀表和調(diào)節(jié)閥，加強(qiáng)配氨操作過程監(jiān)管。對現(xiàn)有儀表系統(tǒng)進(jìn)行檢查、調(diào)試，確認(rèn)儀表控制系統(tǒng)可以高效、穩(wěn)定運(yùn)行，為人員管理冷凍機(jī)提供有力支持。此外，考慮到循環(huán)水質(zhì)較差將引發(fā)堵管情況，久而久之將導(dǎo)致列管承受過多介質(zhì)沖擊，應(yīng)做好循環(huán)水過濾處理，防止管道結(jié)垢、堵塞，為氨蒸發(fā)器長久可靠運(yùn)行提供保障。

4 螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏處理成效

采取上述措施完成螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器泄漏處理后，日常加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理，規(guī)范人員工藝操作，經(jīng)過為期半年的試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)氨蒸發(fā)器并未出現(xiàn)泄漏問題，保證冷卻水循環(huán)運(yùn)行安全性。平時做好循環(huán)水過濾處理，避免管道結(jié)垢，可以提高氨蒸發(fā)器的換熱效率，節(jié)省大量循環(huán)水，為企業(yè)帶來更多效益。

5 結(jié)語

螺桿冷凍機(jī)氨蒸發(fā)器出現(xiàn)泄漏情況，可能與換熱管線設(shè)計、制造、設(shè)備工藝操作等諸多因素有關(guān)，需準(zhǔn)確判斷泄漏原因，有效降低安全事故發(fā)生幾率，維持設(shè)備高效運(yùn)行。通過外觀檢查和材質(zhì)分析，可知不同原因造成的管道裂紋擁有各自的特征，根據(jù)蒸發(fā)器出口端管道裂紋微觀形貌，最終確定管道裂紋產(chǎn)生與工藝操作造成的換熱管溫度過低有關(guān)，應(yīng)通過更換損壞管道處理泄漏管段，并加強(qiáng)日常操作監(jiān)管杜絕同類事件再次發(fā)生。采取嚴(yán)格安全生產(chǎn)管理措施，成功解決了氨蒸發(fā)器泄漏問題，能夠為螺桿冷卻機(jī)安全使用提供保障。