唐彬
（广西川化天禾钾肥有限责任公司，广西 北海536017）
［摘 要］广西川化天禾钾肥有限责任公司150 kt/a氯化铵装置于2021年5月9日建成投产，其反应循环尾气冷凝器（E3101）原设计为立式管壳式固定管板列管钛材换热器。2021年8月24日停车检修时，拆检发现E3101换热管板有轻微腐蚀、换热管胀管颈部有明显腐蚀，无法修复，需重新设计制造。新E3101设计选材时，结合钛材的腐蚀情况及腐蚀原因（氯离子造成了金属晶间腐蚀和应力腐蚀破坏），通过对其选材要点进行梳理，以及对钛材、石墨和碳化硅几种材料性能进行比对，认为碳化硅耐腐蚀性、导热性、抗磨与抗冲刷性能均良好，经分析与论证，最终确定新E3101选用碳化硅列管式换热器。新E3101经严格控制制造、安装质量，于2022年2月20日投运，运行情况良好，达到了预期目的。
［关键词］氯化铵装置；钛材换热器；腐蚀原因分析；设备选材要点；碳化硅换热器；加工制造要点；运行情况
［中图分类号］TQ051.5［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）02-0048-04
0 引 言
四川能投集团广西川化天禾钾肥有限责任公司（简称广西天禾）150 kt/a氯化铵装置于2021年5月9日建成投产，采用广西天禾240 kt/a曼海姆法硫酸钾装置副产的31%盐酸与50 kt/a低压气相淬冷法三聚氰胺装置含氨尾气在氯化铵装置吸收塔内进行中和反应生成氯化铵溶液，再经离心分离脱水得到含水7%左右的湿品氯化铵。此酸碱中和反应为放热反应，后续工艺系统需对热量进行平衡与利用，且由于氯化铵溶液呈酸性，介质中氯离子腐蚀性强，反应循环尾气冷凝器（E3101）原设计为立式管壳式固定管板列管钛材换热器——壳程（材料为TA2）走氯化铵母液、管程（材料为TA10）走反应吸收尾气，两种介质通过E3101换热管壁进行热交换。2021年8月24日氯化铵装置停车检修时，拆检发现E3101换热管板有轻微腐蚀，换热管胀管颈部有明显腐蚀。由于E3101腐蚀损坏后无法修复，需重新制作，在新换热器选型和材料选择时，针对钛材腐蚀情况进行分析，最终决定选用碳化硅列管式换热器取代原钛材换热器。碳化硅换热器（E3101）投运后，运行情况良好，系统停车后拆检未发现有腐蚀问题。以下对有关情况作一介绍，以期为类似生产环境与介质条件下换热器选型提供一些参考与借鉴。
1 钛材腐蚀情况及E3101腐蚀原因分析
材料腐蚀破坏影响因素复杂，类型很多，弄清腐蚀发生的原因，研究材料的腐蚀规律，采取有效措施防止或最大限度减缓腐蚀过程，对于保证设备使用性能、延长设备使用寿命、改善现场环境、降低运行成本等均具有重要意义。
1.1 钛材腐蚀情况
金属腐蚀是由于元素的自由能高于其化合物，必然有自发地转为热力学上更稳定的自然形态——氧化物、硫化物、碳酸盐及其他化合物的倾向。非金属腐蚀一般是介质与材料发生物理化学作用，使材料原子或分子之间的结合键断裂而破坏。钛具有出色的比强度，与大多数耐腐蚀金属一样，钛表面的钝化膜是其具有耐腐蚀性的关键。钛材性能特征：① 强度高，钛及钛合金强度在420～1 400 MPa；② 密度低，为普通钢材的50%左右；③ 耐腐蚀性能较好，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力强。
通常情况下，钛材属于耐腐蚀性能较好的材料，一般选用不锈钢及双相不锈钢无法确保其在腐蚀介质中的使用性能时，通常会考虑使用钛及钛合金材料。钛及钛合金材料耐腐蚀的机理在于其表面覆盖有一层在空气中自然形成的氧化膜，这种表面状态的突变过程称为钝化，该氧化膜具有性质稳定、附着性强、保护性高的特征，从而使得钛材具备了优异的耐腐蚀性能。
1.2 E3101腐蚀原因分析
反应循环尾气冷凝器（E3101）管程介质为反应尾气（含氨、CO2、水蒸气及少量HCl气体），温度＜115 ℃、压力＜50 kPa；壳程介质为氯化铵离心母液，温度约65 ℃、压力约0.5 MPa；E3101筒体（壳程）规格DN800、壁厚8 mm、长5 389 mm，其换热管规格Φ19 mm×1.5 mm×5 400 mm、数量826根。E3101腐蚀原因分析如下。
1）工艺介质方面的因素。E3101壳程溶液温度较高，钛材难以钝化，钛材钝化膜被铁离子污染，即钛材在高浓度、高温氯化物溶液中钝化膜被破坏，氢离子与钛材反应导致晶间腐蚀；而管程介质中含少量HCl气体，会与水蒸气结合形成稀盐酸而造成设备腐蚀。
2）设备机械结构及力学方面的因素。由于设备机械结构及装配条件上存在或外部施加不同性质的应力，如拉伸、交变、剪切应力，在腐蚀介质的共同作用下，产生了应力腐蚀，应力腐蚀是应力与腐蚀介质综合作用的结果，而拉应力的来源除了载荷的工作应力外，更多地来自于设备制造加工过程产生的残余应力。
3）空间位置方面的因素。损坏的钛材立式换热器（E3101）存在管间空间的死区，使壳程中含量较低的氯化物不断被浓缩和富集，致使钛管胀管颈部出现应力腐蚀破裂。
2 反应循环尾气冷凝器选材要点
反应循环尾气冷凝器（E3101）工况条件无法改变，只能从材料选择上着手进行腐蚀的预防控制。设备选材应根据介质组分对设备材料的要求，在明确设备所处工作条件对材料的主要要求之后，可从如下几方面进行比对与筛选。
2.1 耐蚀性
材料耐蚀性是指其在一定条件下（如介质种类、浓度、温度、压力、流速等）抵抗腐蚀的能力。一般情况下，非金属材料耐蚀性较好，大部分金属材料耐蚀性较差。在不同腐蚀环境中，纯金属的耐蚀性主要体现在金属的热力学稳定性、金属的钝化、腐蚀产物膜的保护性能等方面。
2.2 力学性能
材料的力学性能一般是在大气环境中测得的，有腐蚀介质作用时，某些力学性能将显著下降，在拉应力与腐蚀介质的作用下，某些材料会在远低于强度极限的情况下产生应力腐蚀破裂。
2.3 加工成型工艺
材料选定后要经过各种机械加工、成型或者焊接等工序才能制成化工设备及零部件。材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理工艺性能、切削加工性能等。对于焊接性能较差的材料，要考虑其密封方式与可靠性。
2.4 材料价格与来源
选材时既要考虑材料自身的价格，也要把材料费用同加工制造、使用、维修、拆换及使用寿命等结合起来考虑，进行总费用的综合分析与权衡。在设计与使用非金属设备时，须充分了解与分析材料的综合性能，尽可能做到扬长避短，以提高设备使用的可靠性与耐久性。
2.5 小 结
E3101选材时需考虑多方面的因素，主要有介质的物化性质、压力及允许压降范围、温度，以及清洗/维修要求、材料来源、费用、加工性能、使用寿命等。经对比分析，E3101选材可考虑钛材、石墨和碳化硅。石墨（分子式C，相对分子质量12.01，密度2.25 g/cm3）是碳的一种同素异形体，化学性质稳定，随着温度升高其导热性能会下降，机械性能相对较差，易产生龟裂、疲劳和损伤等问题，在高温和氧化条件下会发生碳化反应，生成的碳化物会堵塞通道，且石墨换热器的工作温差要求较高（通常在200 ℃以上）；鉴于当前E3101采用钛材实际使用情况欠佳，最终决定E3101选用碳化硅材料。
3 碳化硅材料简介
碳化硅（分子式SiC，相对分子质量40.096）是原料经烧结而成的无机材料，属于陶瓷材料，晶体结构以共价键结合，是一种自结合亚微米结构人工合成烧结的碳化物。我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅，均为六方晶体。碳化硅理论密度3.18 g/cm3，具有低密度、高硬度、高耐磨性及高耐腐蚀性，广泛应用于制作各种耐蚀、耐磨和耐高温的机械零部件，是一种新型的工程陶瓷材料，陶瓷材料塑性变形能力差，屈服强度、抗拉强度和断裂强度重合于一点，延伸率和断面收缩率接近于零，属于脆性材料，在拉伸载荷作用下无宏观塑性变形阶段，弹性变形结束就发生脆性断裂，成型加工比较困难。
更多内容详见《中氮肥》2025年第2期