摘要 ：本文闡述了制堿工業(yè)中的重堿工段單法蘭液位計(jì)水箱的工業(yè)清洗，通過對單法蘭液位計(jì)水箱清洗的現(xiàn)場分析與實(shí)踐總結(jié)，研究出一種合理的清洗方案，確定了一種比較經(jīng)濟(jì)的單法蘭液位計(jì)水箱清洗方法，滿足清洗現(xiàn)場的實(shí)際要求。碳化工序是純堿生產(chǎn)裝置中較為復(fù)雜的工段，其單法蘭液位計(jì)的工藝工況尤其復(fù)雜。隨著塔內(nèi)各物質(zhì)相互變換的過程，如 CO 2 氣體的溶解與析出吸收等，NaHCO 3 的結(jié)晶反應(yīng)更是整個(gè)裝置單元所需控制的關(guān)鍵，為保證碳化反應(yīng)的有效進(jìn)行，尤其是要保證結(jié)晶反應(yīng)的高效，此因素極大影響著碳化轉(zhuǎn)化率的高低。控制結(jié)晶反應(yīng)的重要手段之一是控制反應(yīng)溫度，這就需要對單法蘭液位計(jì)進(jìn)行冷卻，這是導(dǎo)出熱量的主要手段，過程的控制也就是對塔內(nèi)循環(huán)水熱交換的控制程度，要求工藝設(shè)備的熱交換效率高，而水箱內(nèi)鈦管內(nèi)壁經(jīng)過長期運(yùn)行，產(chǎn)生大量的污垢，水垢很大程度制約了整個(gè)工藝的熱交換效率，采用清洗工藝對鈦管內(nèi)壁的水垢進(jìn)行清除是通常的檢修辦法。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及結(jié)垢分析

1.1 目前設(shè)備現(xiàn)狀

我公司承攬的某純堿廠單法蘭液位計(jì)水箱鈦管清洗項(xiàng)目，該廠重堿工段采用氨堿法單法蘭液位計(jì)設(shè)備，冷卻水箱配置為8 個(gè)，采用了業(yè)界比較先金的鈦冷卻管，通過循環(huán)冷卻水將塔內(nèi)的氨鹽水的溫度降低，傳熱效率大為提高，單塔減少冷卻水箱至 8 個(gè)為一組，設(shè)備參數(shù)如表 1。通過現(xiàn)場實(shí)地踏勘，在清洗之前拆卸了兩個(gè)單塔的上下水箱蓋進(jìn)行檢查，鈦管內(nèi)壁附著一層灰白色硬垢，厚度約 1~2 mm，附著牢靠且均勻，鑄鐵水箱蓋及塔體壁面有大量結(jié)疤垢塊。水箱蓋外表面銹蝕嚴(yán)重，密封面緊固螺絲為 M20×100，螺絲通體嚴(yán)重腐蝕。鈦管內(nèi)壁結(jié)垢情況見圖 1。

1.2 設(shè)備垢樣分析

單法蘭液位計(jì)配置了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，主要靠冷卻水帶走塔內(nèi)多余的溫度。在化工生產(chǎn)工藝中，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)內(nèi)均存在結(jié)垢現(xiàn)象。堿廠循環(huán)水所用原水為當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤�，礦化度高，含大量鈣、鎂、鹽類，當(dāng)冷卻管內(nèi)循環(huán)水因溫度和溶解度的交替變化，這些物質(zhì)便沉積在鈦管內(nèi)壁上形成混合型污垢。其形成原因大概包括幾類 ：地衣類，隨溫度升高鹽類的溶解度降低而析出；第二類，礦物質(zhì)膠狀物的沉淀 ；第三類，不同分散度的某些物質(zhì)固體顆粒的粘結(jié)等。

由于冷卻水內(nèi)還含有 SiO 2 ，該混合型污垢含硅酸鹽水垢。加上冷卻水補(bǔ)水夾帶的泥沙或懸浮物、塵土，加速了結(jié)垢的形成。水垢厚度達(dá)到 2 mm 時(shí)，傳熱損失約在 20% 以上。由于混合型污垢含硅酸鹽，采用普通化學(xué)清洗方法效果較差。

2 鈦材管水垢的高壓水清洗

堿廠設(shè)備在以往的檢修清洗經(jīng)歷中，檢修單位都基本都采用 20% 的 HCl 溶液對鈦管進(jìn)行化學(xué)清洗，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，除垢清洗效果不理想。本次單法蘭液位計(jì)鈦管除垢清洗，采用高壓水清洗工藝對單法蘭液位計(jì)內(nèi)鈦管進(jìn)行清洗。按照業(yè)主方要求對 15 號塔先用高壓水工藝進(jìn)行施工，施工工序?yàn)?：碳化單塔系統(tǒng)停車—置換、隔離—搭建清洗施工操作平臺—割斷、剝離水箱蓋螺栓—拆卸水箱蓋—鈦管高壓水清洗—驗(yàn)收及復(fù)位。圖 2 所示水箱拆卸及高壓水清洗操作。

2.1 高壓水清洗施工工藝

系統(tǒng)停車及沖洗置換、系統(tǒng)隔離的工作均由業(yè)主方完成。清洗施工內(nèi)容如下 ：（1）水箱蓋拆除時(shí)采取自下而上拆除方式，因銹蝕嚴(yán)重，螺栓拆除采用等離子切割機(jī)全部割斷并人工剝離作業(yè) ；（2）拆除過程遇高處作業(yè)搭設(shè)施工操作平臺，操作平臺采用活動腳手架，水箱蓋吊裝采用電動倒鏈，復(fù)位采用氣動風(fēng)炮 + 敲擊扳手結(jié)合的方法 ；（3）高壓水清洗時(shí)采用柔型槍線 + 拋光型旋轉(zhuǎn)槍頭的清洗方法，對于內(nèi)徑為 50 mm 的鈦管，選擇DN6 槍線 +M18 槍頭，壓力控制在 1 000~1 200 bar； （4）復(fù)位后水箱帶壓試漏時(shí)，開啟循環(huán)水閥門，檢查水箱蓋密封處有無滲漏。

2.2 清洗難點(diǎn)及防控

高壓水施工重點(diǎn)、難點(diǎn)是水箱蓋拆除和復(fù)位，由于水箱蓋體積和重量較大，且施工現(xiàn)場作業(yè)面狹窄，吊裝作業(yè)難度大，每次吊裝時(shí)需選擇好倒鏈的懸掛位置，保證懸掛位置牢固可靠 ；高壓水清洗作業(yè)時(shí)，存在高速水射流傷害風(fēng)險(xiǎn)，必須保證建搭安全可靠的工作面或平臺；作業(yè)前對設(shè)備及配件進(jìn)行安檢及隱患排查，確保不出現(xiàn)意外失控的事故 ；嚴(yán)格遵守高壓水射流安全操作規(guī)程，建立健全現(xiàn)場管理制度。高壓水清洗工序設(shè)備及人員配備情況如表 2，單塔綜合成本 65 000 元。通過簡單分析，單法蘭液位計(jì)水箱高壓水清洗的成本過高，近乎與項(xiàng)目中標(biāo)價(jià)接近，且施工中人員勞動密集程度高，工作強(qiáng)度大，水

箱蓋吊裝存在風(fēng)險(xiǎn)，清洗質(zhì)量很難保證存在波動。為改變目前困境，提高項(xiàng)目收益，急需研制一種更加有效的清洗方法，來滿足生產(chǎn)需要和經(jīng)濟(jì)效益的可行性。

3 小型水垢溶解試驗(yàn)

通過對單法蘭液位計(jì)工藝工況及結(jié)垢原理的分析，基本判定水箱鈦管內(nèi)壁的混合水垢主要成份為碳酸鹽，其它還有硅酸鹽、硫酸鹽等，這些復(fù)合型水垢附著在鈦管表面上，呈現(xiàn)為結(jié)晶致密、質(zhì)地堅(jiān)硬、附著牢固，點(diǎn)狀表觀，見圖 2 水箱拆卸及鈦管高壓水清洗一定粗糙度的均勻水垢。

通過技術(shù)人員大量的現(xiàn)場實(shí)踐數(shù)據(jù)總結(jié)與類似設(shè)備成功清洗案例的對照，我們認(rèn)為該類型水垢完全可通過化學(xué)清洗方法有效清除，使鈦管內(nèi)壁水垢完全剝離呈現(xiàn)金屬光面，從而達(dá)到高效換熱的目的。技術(shù)人員進(jìn)行了一系列的溶垢及清洗小型試驗(yàn)，以確定#佳清洗方案。

3.1 小型溶垢試驗(yàn)及結(jié)果

溶垢試驗(yàn)的樣品是從鈦管內(nèi)直接提取的，將一定質(zhì)量的垢樣分別放入不同的清洗溶劑內(nèi)，進(jìn)行浸泡清洗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中各燒杯內(nèi)掛入 TA2 腐蝕試片，根據(jù)各組配方溶解程度的快慢來判斷清洗現(xiàn)場清洗的效果，表 3 為各組配方溶垢結(jié)果。編號 6 對應(yīng)的配方，各種原材料比例均衡。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，在 40 ℃的溶液溫度下經(jīng)10 h 垢樣溶解試驗(yàn)，通過稱重法污垢溶解率達(dá)到 96%以上，完全滿足單法蘭液位計(jì)裝置清洗的要求。

3.2 清洗主劑的考慮

根據(jù)各類清洗原材料的優(yōu)缺點(diǎn)篩選，依照小型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選定了氨基磺酸作為清洗的主藥劑，具有如運(yùn)輸成本少，現(xiàn)場存儲及保管方便安全，施工操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 于硅酸鹽的處理

根據(jù)污垢的成份判斷及試驗(yàn)結(jié)果，清洗主劑對該類型污垢中的硅酸鹽成份溶解有限，添加氟化物是必要的。我們選定的配方添加了一定比例的氫氟酸，能夠有效地去除硅酸鹽垢，也能促進(jìn)垢層快速地從鈦管表面脫離，使鈦管的清洗能夠徹底完全。

雖然氫氟酸對鈦管有一定腐蝕，但添加的濃度較低，再加上緩蝕劑的作用，氫氟酸對鈦管的腐蝕率完全可以控制在較低的范圍內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明是安全可靠的。

3.4 清洗助劑

由于水垢的酸洗會反應(yīng)出大量的氣體，水箱內(nèi)各層鈦管呈水平布置，為了減少鈦管頂部氣阻對溶液與污垢接觸、反應(yīng)的影響，添加助劑 OP-10 來增大液體與污垢的接觸面積，也能提高溶劑滲透能力，達(dá)到快速、全面除垢的效果。

4 化學(xué)清洗工藝與控制

單法蘭液位計(jì)水箱鈦管的化學(xué)清洗采用全充滿循環(huán)清洗的工藝方法。清洗工序步驟為：碳化單塔系統(tǒng)停車—置換、隔離—建立清洗臨時(shí)系統(tǒng)—水沖洗及檢漏—酸洗除垢—酸洗后水沖洗—驗(yàn)收及復(fù)位。

4.1 清洗流程的設(shè)計(jì)

將需要清洗的單法蘭液位計(jì)用鋼管及高壓軟膠管連接循環(huán)水進(jìn)出口，與清洗泵站出回水閥門相連接，利用清洗泵站進(jìn)回液可切換的功能，將它們連接構(gòu)成一個(gè)密閉的可正反循環(huán)清洗的系統(tǒng)。清洗設(shè)備應(yīng)選擇耐腐蝕的離心泵，泵的流量選擇應(yīng)根據(jù)guojia及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對化學(xué)清洗的有關(guān)規(guī)定，通過計(jì)算，選擇 Q =320 m 3 /h 的泵組作為本次化學(xué)清洗的適宜設(shè)備，通過清洗泵站提供給的較大流量，來滿足單法蘭液位計(jì)多級、水箱內(nèi)多格柵的設(shè)計(jì)，滿足了清洗的工藝中對清洗液#低流速的要求。

4.2 洗控制條件及注意事項(xiàng)

（1）控制鈦管內(nèi)清洗流體流速應(yīng)在 0.3~0.8 m/s 之間 ；（2）加藥溫度應(yīng)在 35~38 ℃ ；清洗過程控制溫度在45~52 ℃之間，清洗液溫度嚴(yán)禁超過 55 ℃ ；（3）清洗時(shí)間控制在 12 h 之內(nèi)，但應(yīng)盡量縮短清洗時(shí)間，可通過觀察鈦管表面清洗程度來判斷#佳結(jié)束節(jié)點(diǎn) ；（4）不參與清洗的設(shè)備部件，如調(diào)節(jié)閥、過濾器、壓力表、溫度計(jì)等測試、測量儀表均應(yīng)拆除或抽芯。不參與清洗系統(tǒng)要確認(rèn)能夠有效隔離 ；（5）酸洗結(jié)束后應(yīng)由下而上先金行水頂酸的沖洗，以防止鈦管上部粘粘懸浮物體而影響清洗效果，待沖洗出水較澄清時(shí)可反向沖洗 ；（6）為有效減少氣阻，應(yīng)設(shè)置排氣放空閥 ；應(yīng)對清洗過程有效檢測，尤其對鐵離子濃度適時(shí)監(jiān)測，若測得的 Fe 3+ 離子濃度大于 1 000 mg/L，應(yīng)及時(shí)添加 Fe 離子還原劑（如Na 2 SO 3 等）或置換部分酸洗液，使 Fe 3+ 離子濃度小于500 mg/L ；確保化學(xué)清洗時(shí)，水箱基體及鈦管的腐蝕速率應(yīng)小于guojia標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以下 ；（7）不同的單塔內(nèi)鈦管因工況不同而結(jié)垢程度不一，應(yīng)事前了解或直接開蓋檢查鈦管結(jié)垢情況，進(jìn)而調(diào)節(jié)清洗工藝或清洗控制參數(shù)，達(dá)到清洗徹底而不過洗的效果 ；（8）嚴(yán)格控制酸洗主劑濃度，酸濃度過高，會產(chǎn)生大量氫氣，酸霧嚴(yán)重，影響環(huán)境及損害操作人員的健康。由于水垢含硫，清洗時(shí)會產(chǎn)生 H 2 S 氣體，要求清洗泵站及設(shè)備區(qū)域進(jìn)行有毒有害氣體的監(jiān)測，防止人員中毒事件 ；另外酸洗會產(chǎn)生大量氫氣等可燃性氣體，需加強(qiáng)現(xiàn)場管理，防止發(fā)生意外。

5 清洗效果及經(jīng)濟(jì)效益

通過依次對 5 號、14 號、13 號單法蘭液位計(jì)進(jìn)行了化學(xué)清洗施工，經(jīng)過清洗的 3 個(gè)單法蘭液位計(jì)冷卻工況效果均明顯改善，冷卻效率大幅度提高，冷取水耗能下降，循環(huán)水進(jìn)出口溫差有了很大提高。單法蘭液位計(jì)冷卻水溫差變化如表4 所示，溫差效果明顯。圖 3 為 13 號單法蘭液位計(jì)鈦管經(jīng)過化學(xué)清洗后的表面狀況，污垢清洗干凈，鈦管光潔如初。

 

 

單法蘭液位計(jì)的化學(xué)清洗對冷卻水無任何污染，對設(shè)備材質(zhì)及鈦管均無破壞。清洗廢液經(jīng)中和處理后直排入堿廠污、濁水回用系統(tǒng)。

因堿廠的污水系統(tǒng)本身含有氨、石灰成分的性質(zhì)，清洗廢液主要成分與之兼容，其中的氟離子也能與污水中的石灰自行反應(yīng)消融，對環(huán)境不構(gòu)成危害，清洗廢液的處理成本比較少。

與物理清洗比較，對單法蘭液位計(jì)鈦管的除垢化學(xué)清洗有著比較突出的優(yōu)勢與特性。表 5 為高壓水清洗與化學(xué)清洗經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的比較。

通過初步試驗(yàn)清洗積累了技術(shù)數(shù)據(jù)，在掌握技術(shù)要領(lǐng)后，對其余 15 座單法蘭液位計(jì)依次用同樣的方法進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗成本明顯降低，清洗工期明顯縮短，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。