李苏军，罗正兰
（重庆飞华环保科技有限责任公司，重庆401221）
［摘 要］重庆飞华环保科技有限责任公司400 kt/a双加压法稀硝酸装置中大量使用各类波纹管补偿器（膨胀节），自2015年1月投产以来，出现过省煤器膨胀节损坏、锅炉给水加热器膨胀节泄漏、省煤器至尾气加热器之间管道上大拉杆膨胀节严重变形、尾气加热器出口膨胀节损坏、氧化炉底部膨胀节损坏等问题，严重影响装置的安全稳定运行。分析认为，膨胀节损坏原因主要有设计与安装缺陷、设备制造缺陷、生产管理方面存在不足、设备管理不到位、（最初几年）装置开/停车过于频繁及部分膨胀节使用年限较长等。基于实际生产情况，陆续实施了一系列优化改进，并采取了一系列防范措施，膨胀节频繁损坏问题得到解决或缓解。
［关键词］双加压法稀硝酸装置；省煤器；锅炉给水加热器；尾气加热器；氧化炉；膨胀节损坏；原因分析；优化改进
［中图分类号］TQ111.26+2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）05-0033-05
0 引 言
重庆飞华环保科技有限责任公司（简称重庆飞华）400 kt/a稀硝酸装置（HNO3浓度60%）由中海油山东工程有限责任公司设计，采用西班牙TR公司开发的双加压法硝酸生产工艺[中压氧化（氧化压力0.45 MPa）、高压吸收（吸收压力1.1 MPa）]，所产稀硝酸主要供应给BASF重庆MDI一体化项目硝基苯装置。稀硝酸装置于2015年1月投产，因其设计产能远大于BASF的生产需求，富余稀硝酸不得不通过车辆外运销售，装置经常处于开开停停的状态；2021年底决定开展硝酸提浓技术攻关，2022年1—2月对稀硝酸装置进行了优化调整，产品稀硝酸浓度逐步提升至65%，打开了市场，基本上形成了稀硝酸装置全年满负荷无产品剩余的良好局面。
稀硝酸装置中大量使用各种类型的补偿器，重庆飞华稀硝酸装置各种类型的波纹管补偿器（简称膨胀节）重要的有36台（还有其他各类补偿器，其结构简单，问题不突出或影响较小，暂不予以讨论），由于本稀硝酸装置部分设备最初设计/安装不合理、运行周期短及频繁开/停车、工艺操作水平欠佳、工况恶劣、设备腐蚀及运维管理方面存在不足等，造成膨胀节多次由于腐蚀、变形失效、水击、疲劳损坏等而严重损坏，其中问题最为突出的是大拉杆式膨胀节和换热设备本体上的膨胀节，导致稀硝酸装置多次被迫停车等（截至2024年8月，本稀硝酸装置因膨胀节破裂造成被动停车5次），严重影响装置的安全、稳定运行。后经优化改进，解决或缓解了膨胀节损坏问题。以下对有关情况作一介绍。
1 稀硝酸装置工艺流程概述
罐区来的原料液氨首先进入液氨过滤器（F010A/B）滤除杂质，接着进入主蒸发器（E0101）和辅助蒸发器（E0103）中蒸发成气氨，气氨送至氨过热器中加热至100 ℃，再进入氨空混合器与压缩空气混合后去往氨氧化炉（R0101）进行氨的催化氧化反应。氧化炉出口氧化氮气体温度约383 ℃，依次经串联的尾气过热器（E0105）、省煤器（E0107）、尾气加热器（E0108）、低压反应水冷凝器（E0110）冷却，部分氧化氮气体在E0110内冷凝成稀硝酸（浓度约34%），稀硝酸在工艺气分离器（S0102）与氧化氮气体分离，分离后的氧化氮气体进入氧化氮压缩机，被加压至0.98 MPa，继而依次经锅炉给水加热器（E0111）、尾气预热器（E0112）、高压反应水冷凝器（E0113）冷却至48 ℃左右进入吸收塔（T0101）底部，气相中的NO2被吸收塔中的水吸收生成硝酸；S0102分离出的液相冷凝酸则进入吸收塔（5～10层）相应（稀硝酸浓度）塔盘，吸收塔出口稀硝酸经漂白塔（T0102）吹除其中溶解的氧化氮气体后得到成品稀硝酸，送入成品储罐。
2 省煤器（E0107）膨胀节损坏
2.1 问题描述
2015年1月15日重庆飞华稀硝酸装置第一次原始开车。2015年2月16日03:40装置第三次点火投氨开车，系统运行2 h后，现场人员巡检发现省煤器（E0107）泄漏，经确认为E0107膨胀节泄漏，约有7～10 t/h锅炉水外喷，漏量较大，装置紧急停车处理。
2.2 原因分析
2.2.1 E0107滑动支撑安装存在问题
在工程详细设计阶段，分析计算E0107最大热膨胀量为8.31 mm，并标明尾气过热器（E0105）与E0107滑动支撑及固定支撑位置，E0105与E0107为连体设备，E0105无膨胀节；工艺包要求其滑动支撑提供50 mm的开槽孔，设计时允许设备自身纵向热膨胀15 mm。据滑动支撑设计数据，此纵向开槽孔的尺寸将允许E0107膨胀不受限制，但设备安装完成后，现场发现其滑动支撑处虽有滑动平台，但滑动支撑位置用钢筋混凝土浇筑，E0107膨胀受限。施工验收阶段发现了此安装问题，但并未引起重视，当时为赶工程进度，未对其进行整改。
2.2.2 E0107出口管道反作用力的影响
E0107膨胀节是为支撑轴向负荷而设置的，但实际上E0107在受到轴向力的同时，还受到出口管道的反作用力，并作用到E0107设备基座，使E0107受到垂直负荷的同时也受到出口管道变形所带来的扭力，进而使E0107本体膨胀节产生了“S”形变形。
2.2.3 操作方面的问题
1）E0107管程为工艺气、壳程为锅炉给水，系统开车过程中，管程工艺气温度有两个突升阶段：第一个是四合一机组升速升压阶段，工艺气温度大致由89 ℃升至167 ℃，此阶段温升时间较长，约2 h，对设备产生的热应力相对较小；第二个是氧化炉点火投氨阶段，E0107内工艺气温度大致由170 ℃升至383 ℃，此过程时间短，约2～6 min，对设备产生的热应力较大。通常，在这两个阶段前后，应保持E0107壳程锅炉水流动，以便及时带走热量，但装置开车之初实际操作中并未打开E0107壳程锅炉给水循环阀（HV303015）让设备内的锅炉水流动起来，封闭在设备内“不流动”的锅炉水温度急剧上升，对E0107膨胀节产生了极大的热应力。
2）装置开车之初，由锅炉给水泵（P0103）到锅炉给水加热器（E0111）出口的锅炉水管线及设备内均为空的，操作人员启动P0103时采用泵进/出口阀全开、主控（人员）远程启动的方式，而P0103为多级离心泵，设计出口压力为55 MPa，P0103突然启动后，处于排空状态下的P0103到E0107出口之间的管道、设备会遭受巨大的水锤冲击。波纹管补偿器为挠性元件，一般来说其刚度远远小于管道和设备的刚度，P0103突然启动后很容易使得这段管线及设备最为薄弱的环节（膨胀节）损坏。
2.3 优化改进
2.3.1 工艺操作优化
针对工艺操作方面的问题，要求每次开车过程中E0107壳程锅炉水保持一定的循环量；规范P0103的操作，装置开车之初，P0103出口管道全空的情况下，不允许全开P0103出口阀，不允许直接远程启动P0103，而应全开P0103进口阀，远程启动P0103后再缓慢打开P0103出口阀，逐渐让P0103出口管线及相应设备内充满水，避免水锤现象发生。
2.3.2 设备方面的优化改进
E0107是双加压法稀硝酸装置的重要设备，又属于特材设备，制造工艺要求严格，若重新制造或返厂维修，无论从时间还是成本上看均不现实。为不影响装置生产，重庆飞华在与设计院及企业内部设备和工艺专家沟通后，初步形成如下永久性的解决方案：① 按照工程详细设计要求，重新对E0107的基座、滑动支撑进行安装，以利E0107自由膨胀；② 对于E0107本体损坏的波纹管，移走原设备上的加强环和波纹管，在原波纹管两侧焊接2个底板到设备筒体（壳程），然后在2个底板上焊接1圈一半的公称直径为8寸的管子（8寸管子劈成两半，其厚度满足恶劣工况下的强度要求）。
2015年2月18日系统停车期间对E0107进行了改造，改造后E0107的强度虽得到加强，可实际上并没有彻底解决上述问题，导致后来发生了E0111膨胀节泄漏事故。
3 锅炉给水加热器（E0111）膨胀节泄漏
更多内容详见《中氮肥》2025年第5期