Wartung und Überholung von Graphit-Wärmetauschern

In Chloralkali- und Chlorwasserstoff-Syntheseanlagen werden Graphitwärmetauscher zur Kühlung von Salzsäure und feuchtem Chlorgas sowie zur Wärmerückgewinnung aus der Schwefelsäureverdünnung eingesetzt; die verwendeten Medien sind typischerweise hochtemperierte, starke Säuren. Bei Blockloch-Graphitwärmetauschern werden sich kreuzende Kanäle in einen massiven Graphitblock gebohrt, während Rohrbündel-Graphitwärmetauscher aus einem Rohrbündel aus Graphitrohren und Rohrböden bestehen. Die Wartung beider Wärmetauschertypen umfasst Demontage, Reinigung, Inspektion, Reparatur, Wiedermontage und Druckprüfung, wobei sich die einzelnen Arbeitsschritte unterscheiden. Eine Überholung eines Graphitwärmetauschers ist nicht nur eine einfache Reinigung, sondern ein umfassendes Verfahren, das die erneute Messung der Abmessungen, die Beurteilung von Rohrverstopfungen und die Reparatur der Dichtflächen beinhaltet – den Kern der Reparatur von Graphitwärmetauschern. Tatsächliche Aufzeichnungen aus europäischen Chloralkali-Anlagen zeigen, dass das Überholungsintervall für Graphit-Wärmetauscher typischerweise 2,5 bis 4 Jahre beträgt, abhängig von der Anolyttemperatur in den Elektrolysezellen und der Menge des mitgerissenen Säurenebels. Bei der Auswahl eines Elektrolyseurherstellers ist es unerlässlich, die Chlorgasaustrittstemperatur, den Säurenebelgehalt und den Salzgehalt der Natronlauge bei Volllast zu klären. Diese Parameter bestimmen direkt, ob ein Graphit-Wärmetauscher alle 3 oder 5 Jahre einer Generalüberholung bedarf. Obwohl es geringfügige Unterschiede in den Auslegungslasten japanischer und deutscher Elektrolysezellen gibt, korrodieren Graphitblockkanäle in Anlagen mit unzureichender Säurenebelkontrolle schneller. Daher müssen die Originalzeichnungen des Herstellers vor jeder Überholung eines Graphit-Wärmetauschers überprüft werden.

Wartungsverfahren für Block- und Rohrbündel-Graphitwärmetauscher

Eine Generalüberholung eines Blockwärmetauschers aus Graphit beginnt mit der Demontage des Graphitblocks. Zuerst werden die oberen und unteren Deckel entfernt. Anschließend werden die Verbindungsschrauben des Gehäuses gelöst, um das Stahlgehäuse als Einheit vom Graphitblock abzuziehen oder abzuschieben. Der Graphitblock wird dann in den Wartungsbereich gehoben. Zur Reinigung wird vorrangig eine Hochdruckwasserstrahlreinigung der Prozess- und Kühlkanäle durchgeführt. Hartnäckige Ablagerungen werden mit Säure behandelt, wobei Säurekonzentration und Temperatur streng kontrolliert werden müssen. Nach der Reinigung erfolgen Sichtprüfungen, Eindringprüfungen und Ultraschallprüfungen, wobei besonderes Augenmerk auf Risse und Durchdringungen an den Kanalübergängen gelegt wird. Defekte einzelne Kanäle können nicht separat ausgetauscht werden. Stattdessen werden einige Kanäle mit säurebeständiger Graphitkittmasse und Graphitstopfen abgedichtet. Wenn Risse den gesamten drucktragenden Block betreffen oder der Anteil abgedichteter Kanäle die Herstellervorgaben überschreitet, wird der gesamte Block ausgetauscht. Die Dichtflächen werden plan geschliffen und die Dichtung zwischen Graphitblock und Gehäuse ersetzt.

Beim Zusammenbau werden die Bauteile in umgekehrter Reihenfolge der Demontage angezogen, gefolgt von Dichtheitsprüfungen (hydrostatisch und luftdicht). Dies ist der vollständige geschlossene Prozess, der für eine umfassende Reparatur von Graphitwärmetauschern erforderlich ist. Generalüberholungen von Graphitrohr-Rohrbündelwärmetauschern beginnen mit dem Herausziehen des Graphitrohrbündels. Nach dem Entfernen der Köpfe wird das gesamte Graphitrohrbündel mithilfe spezieller Hebezeuge oder einer Kernziehmaschine langsam aus dem Gehäuse gezogen. Aufgrund der hohen Sprödigkeit der Graphitrohre dürfen diese nicht abschnittsweise herausgehebelt werden. Nach dem Herausziehen des Graphitrohrbündels sollte die Auszugskraft dokumentiert werden. Eine ungewöhnlich hohe Kraft deutet auf Ablagerungen im Gehäuse oder blockierte Leitbleche hin. Nach dem Herausziehen wird das Graphitrohrbündel innen und außen mit Hochdruck gespült, die Gehäuseseite separat gereinigt.

Führen Sie bei der Inspektion an jedem einzelnen Graphitrohr Wanddickenmessungen, Eindringprüfungen und Wirbelstromprüfungen durch. Verwenden Sie einen Kugeldurchgangstest, um Verstopfungen festzustellen. Falls möglich, verschließen Sie beschädigte Graphitrohre einzeln, indem Sie einen konischen Graphitstopfen in das Rohrende einpressen. Sind mehrere Rohre beschädigt oder ist die Dichtfläche des Rohrbodens beschädigt, tauschen Sie direkt das Graphitbündel aus. Dies ist zuverlässiger als der Austausch einzelner Rohre. Die Reparatur der Rohrbodendichtung konzentriert sich auf die Verbindung zwischen Graphitrohr und Rohrboden. Verwenden Sie hierfür den vom Hersteller empfohlenen Klebstoff oder komprimierte Graphitdichtringe.

Beim Wiedereinbau muss das Graphitbündel langsam in das Gehäuse eingeführt werden, um ein Anstoßen an den Leitblechen zu vermeiden. Abschließend muss die Druckprüfung für die Überholung des Graphitwärmetauschers beider Gerätetypen nach denselben Normen durchgeführt werden; die Anforderungen dürfen nicht allein deshalb gesenkt werden, weil Rohrbündelwärmetauscher weniger potenzielle Leckstellen aufweisen, da sonst die Reparatur des Graphitwärmetauschers wahrscheinlich Nacharbeiten erfordern wird.

Vergleichstabelle für zwei Arten von Graphit-Wärmetauschern

Die folgende Tabelle listet die Terminologie für die gleichen Wartungsarbeiten an beiden Anlagentypen nebeneinander auf, um den Abgleich zwischen Arbeitsaufträgen vor Ort und englischer Dokumentation zu erleichtern. Die häufigste Ursache für Verwirrung bei der Überholung von Graphitwärmetauschern ist die synonyme Verwendung der Begriffe für Block- und Rohrbündelwärmetauscher, was zur Bestellung falscher Ersatzteile führt. Vor Ort wird die Demontage von Graphitblockwärmetauschern oft einfach als „Blockheben“ und das Herausziehen von Graphitbündeln als „Kernentnahme“ bezeichnet; jedoch muss jeder Reparaturauftrag für Graphitwärmetauscher die vollständige englische Terminologie verwenden.

Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen für die Überholung von Graphit-Wärmetauschern

Unabhängig davon, ob es sich um Block- und Loch- oder Rohrbündelwärmetauscher handelt, stellen Stoßbelastungen und lokale Spannungen die größten Risiken bei der Überholung eines Graphitwärmetauschers dar. Graphit ist druckfest, aber nicht zugfest. Daher müssen zum Anheben breite Nylonschlingen oder spezielle Halterungen verwendet werden. Es ist strengstens verboten, den Graphitkörper direkt mit Stahlseilen zu befestigen. Die Wahl der Dichtungsmaterialien ist entscheidender als man annehmen könnte. In Umgebungen mit Salzsäure oder feuchtem Chlor müssen fluorierte Elastomere oder flexible Graphit-Verbunddichtungen verwendet werden – herkömmliche Gummidichtungen sind nicht geeignet. Die hydrostatische Prüfung sollte mit dem 1,3- bis 1,5-Fachen des ursprünglichen Auslegungsdrucks durchgeführt werden. Der Druck muss langsam erhöht und mindestens 30 Minuten lang gehalten werden. Für die Prüfung muss entsalztes oder chlorarmes Wasser verwendet werden.

Die technischen Dokumente von Euro Chlor weisen darauf hin, dass der Überholungszyklus für Graphit-Wärmetauscher in Nasschlor-Gaskühlungsanlagen anhand des Säurenebelgehalts und der freien Chlorkonzentration und nicht allein anhand der Betriebsstunden bewertet werden sollte. Sowohl Mersen als auch SGL weisen in ihren Wartungshandbüchern darauf hin, dass Dichtheitsprüfungen nach einer Überholung von Graphit-Wärmetauschern wichtiger sind als hydrostatische Prüfungen. Sie empfehlen, zunächst mit Stickstoff bei einem niedrigen Druck von 0,2 MPa auf Mikrolecks zu prüfen, bevor der Druck auf den Prüfdruck erhöht wird. Bei Reparaturen an Graphit-Wärmetauschern müssen auch die Korrosionsschutzbeschichtung an der Innenwand des Gehäuses und die Opferanoden überprüft werden, da Korrosion an der Gehäuseseite oft übersehen wird. Flanschschrauben sind gemäß den Herstellervorgaben in drei Stufen symmetrisch anzuziehen; zu starkes Anziehen kann zu Rissen in den Graphitflanschen führen. Die Praxiserfahrung zeigt, dass die häufigsten Ursachen für Überholungsausfälle Beschädigungen der Graphitrohre durch Hebeln beim Kernausbau, die falsche Auswahl von Dichtungen und nicht vollständig abgelassenes Restwasser nach der Druckprüfung sind, was im Winter zu Frostschäden führt. Bei der Auswahl eines Herstellers von Elektrolysezellen sollten Sie diejenigen bevorzugen, die vollständige Betriebsgrenzen für Graphit-Wärmetauscher und empfohlene Überholungsintervalle angeben können. Vermeiden Sie Vertriebsmitarbeiter, die lediglich Daten zum Stromverbrauch liefern und Probleme im Zusammenhang mit Säurenebel und Ablagerungen ausklammern.

Detaillierte Wartungsverfahren für Graphit-Wärmetauscher

Jeder der folgenden Schritte ist ein kontrollierter Vorgang im Überholungsprozess des Graphitwärmetauschers und darf nicht ausgelassen werden. Die untenstehende Tabelle listet die wichtigsten englischen Fachbegriffe für Block- und Rohrbündelwärmetauscher übersichtlich nebeneinander auf, um die direkte Verwendung bei der Erstellung von Arbeitsaufträgen und Ersatzteilanforderungen zu erleichtern. (Ausgetauschte Teile können Sie bei einem Edelmetallrecyclingunternehmen auf Edelmetalle prüfen lassen.)

Vor Beginn der Phase 0 der Graphitwärmetauscher-Überholung muss eine Arbeitserlaubnis eingeholt und die Sperr- und Kennzeichnungsverfahren (Lockout/Tagout) implementiert werden. Nach der Druckentlastung des Systems wird das Medium abgelassen und mit Stickstoff gespült, bis die Tests zur Erkennung brennbarer und toxischer Gase erfolgreich abgeschlossen sind. Phase 1 der Graphitwärmetauscher-Überholung umfasst die Demontage der Struktur: Bei Block- und Lochwärmetauschern werden zuerst die Endkappen entfernt, dann das Gehäuse herausgedrückt und die Graphitblöcke herausgehoben. Wichtig bei der Demontage von Graphitblockwärmetauschern ist die Dokumentation der ursprünglichen Dichtungsdicke und der relativen Positionen von Gehäuse und Graphitblöcken; andernfalls kann es beim Zusammenbau zu Fehlausrichtungen kommen. Beim Herausziehen des Graphitrohrbündels von Rohrbündelwärmetauschern muss das Rohrbündel vor dem Herausziehen des Kerns auf Verklebung mit dem Gehäuse geprüft werden; gegebenenfalls kann es in Wasser eingeweicht oder mit Dampf erhitzt werden, um es zu lösen. Die Reinigung in Phase 2 erfolgt mit Hochdruckwasserstrahlen, wobei der Druck typischerweise zwischen 500 und 800 bar liegt; Stahldüsen dürfen nicht in Graphitkanälen verwendet werden. Die Inspektion in Phase 3 umfasst Maßmessungen und die Prüfung auf Oberflächenrisse. Bei Rohrbündelwärmetauschern muss jedes Graphitrohr nummeriert werden. Während der Reparaturphase einer Graphitwärmetauscher-Überholung hängen die Entscheidungen von der Anzahl der Leckagen und den drucktragenden Risiken ab. Bei Block- und Lochwärmetauschern muss die gesamte Einheit ausgetauscht werden, wenn mehr als 5 % der Kanäle verstopft sind oder Risse mehrere Löcher umfassen. Bei Rohrbündelwärmetauschern muss das gesamte Rohrbündel ausgetauscht werden, wenn mehr als 10 % der Rohre verstopft sind oder die Dichtfläche des Rohrbodens beschädigt ist. In Phase 5 (Wiedermontage) ist der feste Kontakt zwischen Graphitblöcken bzw. Rohrbündeln und dem Gehäuse von größter Bedeutung; Führungsstangen müssen verwendet werden. In Phase 6 der Graphitwärmetauscher-Überholung müssen Druckprüfungen separat auf hydrostatische und Luftdichtheit durchgeführt werden; die Luftdichtheitsprüfung allein kann die hydrostatische Prüfung nicht ersetzen.

Nach Abschluss der Reparatur des Graphit-Wärmetauschers aktualisieren Sie die Wartungsunterlagen und archivieren Sie die Positionen verstopfter Rohre, die Seriennummern der ausgetauschten Teile und die Druckprüfkurven. Der Erfolg einer Überholung des Graphit-Wärmetauschers bemisst sich letztendlich nicht an der Sauberkeit der Geräteoberfläche, sondern daran, ob alle Dichtstellen innerhalb von 48 Stunden nach dem Aufheizen dicht bleiben und der Druckabfall im zulässigen Bereich bleibt. Nach Abschluss der Reparatur des Graphit-Wärmetauschers aktualisieren Sie die Wartungsunterlagen und archivieren Sie die Positionen verstopfter Rohre, die Seriennummern der ausgetauschten Teile und die Druckprüfkurven. Der Erfolg einer Überholung des Graphit-Wärmetauschers bemisst sich letztendlich nicht an der Sauberkeit der Geräteoberfläche, sondern daran, ob alle Dichtstellen 48 Stunden nach dem Aufheizen dicht bleiben und der Druckabfall im zulässigen Bereich bleibt. Bei der Auswahl eines Herstellers von Elektrolysezellen verlange ich Nachweise über Überholungen von Graphit-Wärmetauschern aus ähnlichen Anlagen in Europa oder Nordamerika, die seit mindestens drei Jahren im Dauerbetrieb sind. Besonderes Augenmerk lege ich auf die Effizienz des Säurenebelwäschers und auf Veränderungen des Säuregehalts des Anolyten, da diese Indikatoren Aufschluss darüber geben, ob die Elektrolysezelle mit nachgeschalteten Anlagen kompatibel ist – und dies ist der entscheidende Faktor für die Verlängerung des Überholungszyklus des Graphit-Wärmetauschers.