无水氢氟酸生产中换热设备的故障分析和防范措施

贺志荣 韩拥军 詹小军

（多氟多化工股份有限公司）

化机制造

无水氢氟酸生产中换热设备的故障分析和防范措施

贺志荣*韩拥军 詹小军

（多氟多化工股份有限公司）

主要介绍无水氢氟酸生产中换热器发生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施。

换热器 故障分析 防范措施 焊缝 表面缺陷 腐蚀

0 前言

无水氢氟酸生产系统中的换热设备按换热介质的不同可分为三类。第一类是用冷冻水冷却的，相应的设备有一冷、二冷以及精馏和脱气塔的冷凝器；第二类是用循环水冷却的，相应的设备有初冷（水冷）器；第三类是用热水加热的，相应的设备有脱气塔再沸器和精馏塔再沸器。下面将这三类换热设备的故障分析和防范措施作分类叙述。

1 初冷（水冷）器

1.1 故障表现

该类设备的绝大多数故障为进气端管板与换热管之间的焊缝处发生泄漏，在多氟多化工股份有限公司发生的故障中无一例外。

1.2 故障分析

在无水氢氟酸生产系统中，该类换热设备是最先接触介质的换热设备，也是故障最多的换热设备。究其故障原因，主要是原料萤石中含有一定的杂质，在发生化学反应生成氟化氢气体时也同时生成了一定量的水分，虽经预洗涤和预净化处理除去了大部分水分，但进入初冷器时氟化氢气体仍有微量水分存在 （800×10-6m3/m3左右）。这些微量水分与氟化氢气体结合形成微量的氢氟酸，从而导致设备入口处管板与换热管之间的焊缝腐蚀。如果在生产操作中没有较好地控制而使氟化氢气体中的水分含量增加的话，则腐蚀将会加剧。这是故障产生的原因之一。

产生故障的另一个原因，就是温度越高无水氢氟酸对金属的腐蚀速率就越快。根据原化学工业部化工机械研究院主编的《腐蚀与防护手册——化工生产装置的腐蚀与防护》[1]一书介绍，碳钢在常温的无水氢氟酸中是耐蚀的。但碳钢的耐蚀是相对的，在各种温度下无水氢氟酸仍会对其产生一定的腐蚀作用，腐蚀速率与温度的关系见表1。

表1 不同温度下碳钢在无水氢氟酸中的腐蚀速率

由表1可见，进入初冷器的氟化氢气体温度在40℃以下时，其对金属的腐蚀速率较低。

该换热设备的泄漏故障与腐蚀问题密切相关。任何焊接工艺在焊缝内部都会产生一定的焊接缺陷，如气孔、夹渣等，只是缺陷程度有所差别而已。即使按射线探伤一级标准，也允许每张片子中有一个微气孔存在。正是由于焊缝中有微气孔存在，所以当该类换热设备使用一段时间后，焊缝表面就会被腐蚀 （温度越高，腐蚀就越快）。因这种腐蚀是均匀的、缓慢的，所以对设备本身影响不太大。但如果微气孔在焊缝的上部，当焊缝表面被腐蚀后，微气孔就会暴露，而氢氟酸有极其强的缝隙和孔隙腐蚀能力，这时就会很快地沿孔隙腐蚀下去，直至穿透焊缝。从使用时间较长的设备上均可发现，焊缝高度因腐蚀而比使用前要低许多。此外，换热管壁厚也因腐蚀而有所变薄。

1.3 预防措施

（1）对于制造时产生的表面缺陷是不允许存在的。设备到货后通过认真检查，可以发现表面缺陷，从而可杜绝因表面缺陷而引发的设备故障。

（2）对于焊缝内部存在的微气孔缺陷可以从以下几个方面进行改善。

一是改变传统的全电焊焊接方法，采用氩弧焊打底加电焊罩面或全氩弧焊的方法，尽可能减少焊接缺陷。

二是焊接过程中要保证焊接坡口以及焊丝清洁和干燥，以尽量减少气孔的产生。

三是实行计划预修，在确保设备没有表面缺陷的前提下，初冷器投入使用数月后安排打开进气端封头，用抛光机全面清除焊缝上的酸泥，检查生产工艺过程对焊缝的腐蚀情况。若进入设备的介质中水分控制得好，焊缝腐蚀缓慢，且没有发现微气孔，则可延长打开封头检查的周期；若此时焊缝已经低了许多 （大于等于2 mm以上），则需要对该焊缝进行堆焊；若发现微气孔，则应将该气孔打磨掉，打磨趋势尽可能平缓，打磨深度大于1.5 mm时，需要用小直径焊条做堆焊，以保证焊缝的有效高度。

四是严格控制初冷器进口的氟化氢气体温度（可以通过增加粗酸回流的办法），使腐蚀速率限制在可控的范围内。

只要能做好以上几方面工作，初冷器就可连续使用几年而不会发生泄漏故障。另外，由于初冷器是立式的，若气体入口管在封头正中间，则气体直接对着的上管板区域焊缝和换热管更易被腐蚀。可考虑将其改为平封头加管箱，把气体进口改在侧面。对于北方的氢氟酸生产企业来说，循环水的处理是至关重要的。由于水质中钙镁离子较高，很容易对设备产生垢蚀。这也是一个不可忽视的大问题。

2 脱气塔再沸器和精馏塔再沸器

2.1 故障现象

再沸器的故障表现有两种。一是换热管内泄漏， 泄漏部位如图1所示。二是管板上表面焊缝泄漏，且表面出现大量的微孔。

图1 换热管内泄漏部位

2.2 故障原因

上述两种故障均为无水氢氟酸界面腐蚀所造成的典型故障。

2.3 防范措施

在确保设备制造没有表面缺陷的前提下，合理控制无水氢氟酸的液位 （液位高度控制在上管板之上50～200 mm范围内）是防范的关键措施，让界面腐蚀仅发生在上封头的部位，同时液面高度不宜恒定。这样再沸器就只是受到无水氢氟酸的腐蚀（腐蚀速率为0.35～0.68 mm/a），从而可保持碳钢材质换热段无故障时间在2年以上。

为了延长再沸器的使用寿命，可以考虑增大热水循环量，从而降低热水温度，达到最终降低腐蚀速率的目的。

3 结语

本文主要介绍无水氢氟酸生产中换热器发生的故障，并分析其故障原因，提出防范措施。总之，要让无水氢氟酸生产装置能够长周期稳定运行，其设备的制造质量，尤其是管板和列管的焊接质量是重要的基本保障。有效地降低无水氢氟酸在这些设备中的温度是控制腐蚀速率的关键。此外，还要做好预防性检修。

[1]化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册——化工生产装置的腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，1991.

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Failure Analysis and Preventive Measures of the Heat Exchange Equipment in Anhydrous Hydrofluoric Acid Production

He Zhirong Han Yongjun Zhan Xiaojun

The failure of the heat exchanger in anhydrous hydrofluoric acid production has been mainly introduced,the causes of failure are analyzed,and the preventive measures are put forward.

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TQ 050.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.016

2016-12-12）

*贺志荣，男，1954年生，工程师。焦作市，454191。