劉增勝

(中石化寧波技術研究院有限公司 浙江寧波 315103)

大型尿素裝置中的尿素合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器、高壓洗滌器等4種高壓設備是尿素裝置的重要設備，由于高溫、高壓和強腐蝕介質的存在，比較容易發(fā)生各種腐蝕，日常的維護與管理及防腐工作直接影響尿素裝置的長周期運行，如果處理不當，很可能會發(fā)生非計劃停車，甚至造成環(huán)保事件或人員傷亡事故。因此，對尿素裝置高壓設備的維護管理要給予足夠的重視。

通過宏觀腐蝕檢測、渦流檢測、超聲波探傷、磁感應檢測等綜合檢測手段，對尿素高壓設備的列管壁厚減薄、列管應力腐蝕裂紋、腐蝕缺陷、機械劃傷及其他材料不連續(xù)性缺陷，管子-管板角焊縫焊接缺陷(如未熔合、夾渣、氣孔、條狀孔等)，碳鋼管板腐蝕空洞及不銹鋼耐蝕層厚度、襯里母材及焊縫中鐵素體含量等進行測定，對檢測結果進行綜合分析，有助于判斷設備在下一個運行周期內能否安全運行。采用計算機技術及數理統(tǒng)計方法對檢測數據進行分析，了解列管壁腐蝕分布規(guī)律、缺陷位置和深度、碳鋼管板腐蝕程度、腐蝕層厚度等，掌握設備在一個運行周期內的運行狀況，為正確判斷故障的形式、種類，確定故障的原因及程度，制定正確的設備維修計劃和預防性維修計劃，預測設備的可靠性和使用壽命，制定合理的設備更新和備用計劃提供依據。

1 尿素合成塔的維護與管理

(1)中國石油寧夏石化公司化肥二廠的尿素合成塔是1997年引進的二手設備。2005年，在對裝置進行50%擴能改造時，將尿素合成塔內的8層篩板改成了10層高效篩板。2013年8月，尿素合成塔襯里因腐蝕嚴重減薄，發(fā)生一起焊縫穿透性針狀氣孔泄漏事故。對合成塔進行安全性能評估后認為，尿素合成塔的安全狀況已經影響正常生產，因此在2013年冬季大檢修時將尿素合成塔襯里全部予以更換。

通過檢測發(fā)現(xiàn)：尿素合成塔筒節(jié)襯里總體鈍化效果不佳，呈棕色，襯里表面普遍存在大面積的平滑凹坑，且局部存在機械損傷溝槽；第11、12、13筒節(jié)襯里的鼓包現(xiàn)象較為嚴重；筒體環(huán)焊縫存在輕微腐蝕現(xiàn)象，局部發(fā)黑點較多，表面有金屬顆粒脫落現(xiàn)象，焊縫熔合線存在腐蝕溝槽，第12筒節(jié)貼補襯里縱焊縫邊緣存在5處蝕坑。尿素合成塔自1999年投產至2013年已經使用14年，設備處于故障易發(fā)階段，材質進入了劣化期。針對尿素合成塔襯里腐蝕逐年加劇及影響尿素用材料腐蝕的因素，結合實際生產情況，得出腐蝕的主要原因為：水碳比過高；尿素合成塔在投料初期時超溫、超壓，防腐空氣氧含量過低，造成襯里進入活化加速腐蝕階段；長期低負荷運行等[1]。

維修方案：委托大連松海石化檢修工程有限公司將尿素合成塔從第8、9節(jié)筒體環(huán)焊縫處切割開，將上段塔體倒立于地面工裝座上后，兩段同時更換襯里；然后將上段塔體復原，組焊環(huán)焊縫，經射線檢測和超聲檢測檢驗合格后，對環(huán)焊縫進行消除應力熱處理，再安裝內部塔盤。更換的襯里材質為2RE-69(00Cr25Ni22Mo2)，厚度為6 mm。

(2)河南能源化工集團中原大化公司尿素合成塔塔盤原設計采用氣液鼓泡型篩板，運行多年后減薄嚴重，合成塔轉化率偏低(53%～55%)。為提高合成塔轉化率、降低裝置消耗，2013年利用大修機會將氣液鼓泡型篩板更換為徑流式塔盤，改造后合成塔轉化率提高了3%，噸尿素氨耗降低1%、蒸汽消耗降低5%、電耗降低1 kW·h[2]。

(3)中海石油化學股份有限公司化肥一期尿素合成塔自1996年10月投用至2016年，已運行22年，經歷了16次檢修(包括2次搶修)，其中：2001年3月中心出液管破裂進行搶修；2004年底塔盤改造大修；2005年底檢漏系統(tǒng)改造大修；2013、2014年分別對腐蝕嚴重的第17、18筒節(jié)進行貼襯處理；2016年大修時，對合成塔襯里進行了更新，襯里材質升級。目前尿素合成塔運行穩(wěn)定，處于良好狀態(tài)[3]。

(4)四川天華股份有限公司尿素合成塔自1995年投入運行至2017年，因襯里腐蝕已進行多次打磨補焊，其中2010—2017年發(fā)生過4次泄漏，泄漏部位均為襯里板焊縫處。在2017年大檢修期間，發(fā)現(xiàn)襯里表面整體腐蝕嚴重，表面非常粗糙，焊縫處焊肉與襯里板局部肉眼可見，決定將尿素合成塔襯里整體更換。運行至2019年1月再打開檢查，焊縫表面光亮如新，焊縫及襯里板無腐蝕痕跡，表明襯里改造獲得成功[4]。

2 汽提塔的維護與管理

2.1 氨汽提塔

(1)2013年7月4日，重慶建峰化工股份有限公司第一套尿素裝置的氨汽提塔管板發(fā)生泄漏，至8月19日停車消缺檢修，連續(xù)監(jiān)控運行46 d。從查漏結果看，泄漏點靠近惰性氣體放空點區(qū)域[5]。監(jiān)控運行期間，監(jiān)測數據4次出現(xiàn)較大的波動，判斷其漏點處有渣堵塞，系氨汽提塔調頭使用時管板機械清洗不徹底，泄漏通道被異物堵塞。查閱氨汽提塔歷次大修檔案，此處無列管頭更換記錄，此次第一排第4根列管針眼氣孔泄漏位置處于角焊縫下邊緣與管板耐蝕層焊接處，說明該角焊縫缺陷為原始制造缺陷。從腐蝕孔洞檢測結果看，其泄漏未對管板碳鋼層造成較大危害。此次采用快速查漏法對液體分布管進行局部拆卸，大大縮短了檢修時間，減少了停車損失。

由于鈦材的特殊性，在高溫下很容易與氫、氮、氧結合，在焊接過程中如果保護不周，焊縫極易產生焊接缺陷。而換熱管與管板角焊縫檢測手段有限，很難實現(xiàn)無損檢測，在焊接過程中主要依靠焊接人員自檢和焊后著色檢查。該角焊縫焊接完成后，通過外觀檢查和著色檢查無法發(fā)現(xiàn)內部的氣孔缺陷，當設備投入使用后，隨著焊縫表面焊肉逐漸被腐蝕，該缺陷便暴露出來，出現(xiàn)泄漏。

缺陷處理后，氨汽提塔于2013年8月21日投入運行，殼側蒸汽電導率和冷凝液電導率均恢復至正常值。2015年1月，該汽提塔因換熱管整體腐蝕進行設備更新，其間未發(fā)生過泄漏。

(2)中國石油塔里木油田公司石化分公司尿素裝置采用氨汽提工藝，于2009年建成投產。汽提塔正常操作的工藝溫度可達207 ℃，壓力可達14.6 MPa。由于工藝介質中含有甲銨，具有強烈的腐蝕性，因此管箱材質采用碳鋼+Cr25Ni22Mo2襯里，管板材質采用最小10 mm厚的Cr25Ni22Mo2堆焊層。

2014年汽提塔下管板角焊縫與換熱管熔合區(qū)發(fā)生腐蝕泄漏，利用尿素裝置停車檢修機會對汽提塔進行宏觀檢查，在上管箱管板堆焊層發(fā)現(xiàn)了嚴重的腐蝕溝槽，占上管板堆焊層圓周的1/3。2015年1月，汽提塔上封頭出現(xiàn)微漏現(xiàn)象，尿素裝置經過2次短停消缺，11月進行帶壓堵漏，12月裝置停工，對漏點進行搶修。出現(xiàn)泄漏的原因：①在結構薄弱點上存在腐蝕介質作用，多次開停車使應力腐蝕加劇，致使角焊縫與換熱管熔合區(qū)腐蝕穿透；②腐蝕是由鐵素體嚴重超標引起的，焊接時未嚴格按照標準進行；③汽提塔上人孔蓋處泄漏，形成甲銨對碳鋼的腐蝕，帶壓堵漏后，由于沒有完全堵住漏點，泄漏出的甲銨積聚在人孔蓋及螺栓的碳鋼部位，造成腐蝕。

預防及應對建議：檢修時對材料的腐蝕情況及材質也一并檢測，特別是存在應力腐蝕的部分；選用合適等級的構件，密封墊選擇與封頭相同的材質；補焊腐蝕部位要選用合適等級的焊條，否則會因異種鋼而發(fā)生電化學腐蝕；回裝設備時注意上部分布管的安裝，安裝不當會造成尿液在汽提塔內分布不均，甚至造成某些管中滿液而某些管中“干燒”，加劇腐蝕；必須避免檢修用品遺留在設備內堵塞小孔，造成尿液分布不均；汽提塔的安全閥按要求定期檢查，否則在超壓時如無法及時泄壓，對設備的封頭、螺栓等都會造成損害，進而引起泄漏及縫隙腐蝕，甚至會發(fā)生嚴重事故；嚴格按工藝操作要求控制溫度、壓力的升降速率，控制氨碳比、水碳比在合適的范圍內；可適當增加鈍化空氣的加入量，但必須保證中壓放空不能形成爆炸性氣體；嚴格監(jiān)控汽提塔中尿液的電導率和鎳含量，對異常情況要進行快速反應和排查，防止事故擴大，減少損失[6]。

氨汽提塔防腐措施：①保證汽提塔鈍化空氣量，鈍化空氣流量不穩(wěn)定極易造成汽提塔發(fā)生缺氧腐蝕；②嚴格控制高壓系統(tǒng)壓力，使氨和二氧化碳在高壓甲銨冷凝器內充分冷凝吸收，避免高壓系統(tǒng)超壓，減少高壓沖洗水加入對系統(tǒng)水平衡的影響；③加強對物料的取樣分析，嚴格控制原料二氧化碳中的硫含量及工藝冷凝液、蒸汽、沖洗水等介質中的氯含量，避免設備發(fā)生腐蝕；④嚴格控制系統(tǒng)氨碳比、水碳比，正常生產時系統(tǒng)氨碳比應盡可能控制在指標上限，水碳比應盡可能控制在指標下限；⑤封塔時間一般應控制在24 h以內，若停車封塔時再向系統(tǒng)內加入一定量的氨，封塔時間可延長至48 h內；⑥正常生產時要穩(wěn)定操作，避免系統(tǒng)出現(xiàn)大幅波動，防止汽提塔頂部超溫，開車時升溫速率不大于30 ℃/h，升壓速率不大于3.0 MPa/h[7]。

(3)中海石油化學股份有限公司化肥一期尿素裝置采用氨汽提工藝，2010年汽提塔首次出現(xiàn)泄漏，之后泄漏頻率呈逐年上升趨勢，且隨著歷年的檢修，汽提塔已堵管154根，堵管率高達6.6%，換熱效率下降，生產能力嚴重不足。2014年底大修時對汽提塔進行了整體更換，更換后汽提塔運行工況穩(wěn)定，換熱效率明顯提高，能耗也大幅降低，但在運行過程出現(xiàn)了內部進液套管和底部出液管法蘭腐蝕泄漏、液位異常、殼側惰氣氨含量偏高等情況。針對存在的問題，2019年4月大修時更換了部分螺栓，材質為00Cr25Ni22Mo2型材；重新標定汽提塔液位，并增加1只接收器；對汽提塔下部殼側惰氣排放預留口盲板進行改造，開孔后增加取樣導淋。汽提塔改進后再次檢查，未發(fā)現(xiàn)泄漏，最終解決了汽提塔泄漏問題[8]。

有文獻報道[9]，從尿素合成塔進入汽提塔的物料流量相對較低時，即低負荷運行時，汽提塔分布器的液位降低，無法形成有效液位，造成汽提塔列管中尿液分布不均勻，部分列管阻力增大，使來自汽提塔底部的二氧化碳和氧氣進入列管的量相應減少，加速了這部分列管的腐蝕。解決措施是優(yōu)化系統(tǒng)參數，并適當提高氧氣含量。

2.2 二氧化碳汽提塔

(1)重慶建峰化工股份有限公司第二套尿素裝置采用二氧化碳汽提工藝，2013—2019年均對二氧化碳汽提塔液體分布管和換熱器列管腐蝕情況進行了檢測[10]。液體分布管腐蝕較嚴重的有1 493根，占總管數的38.93%，部分分布管孔焊縫已腐蝕穿透，分布孔明顯變大；換熱列管最長運行時間2 496 d，最小壁厚1.75 mm(設計2.5 mm)，年腐蝕率0.1 mm。液體分布管腐蝕的主要原因是存在設計缺陷以及焊接時熱輸入量過大，焊縫熱影響區(qū)耐蝕性能變差；換熱列管腐蝕減薄的主要原因是前端氧氣加入量偏少，氨碳比控制偏低，無法在列管內壁形成良好的保護膜。

處理措施：改進液體分布管頭材質，更換液體分布管材質并局部修復，控制氨和氧的含量。2019年12月更換了300只液體分布管頭和1 200根液體分布管，液體分布管頭材質由Safurer升級為Safurer DEGREE級的耐沖擊棒材，液體分布管材質由S32906更換為X2CrNiMoN25-22-2。更換后汽提效率明顯提高，同等負荷下噸尿素節(jié)約蒸汽10 kg。

(2)陜西渭河煤化工集團有限責任公司的尿素裝置自1996年5月首次投料至2019年已運行了22年，高壓設備處于使用壽命的末期，尤其是二氧化碳汽提塔，近幾年管板角焊縫頻繁出現(xiàn)泄漏。2018年7月，二氧化碳汽提塔發(fā)生爆管，嚴重影響尿素裝置長周期安全穩(wěn)定運行。汽提塔爆管停車后，對所有列管進行渦流測厚，結果壁厚為1.80～2.50 mm，平均厚度為2.21 mm，能夠滿足設備安全運行的要求。在測厚的同時，對發(fā)生爆管的列管進行拔管作業(yè)，拔出后檢查爆管裂口基本為平切開，斷面處管壁厚度的測定值為0.40 mm。判斷此次爆管的主要原因為該列管可能存在制造缺陷，在運行過程中出現(xiàn)異常減薄后未能及時發(fā)現(xiàn)，在較高的壓力下最終發(fā)生塑性變形而破裂。對該材質列管在運行情況下發(fā)生爆管的最小壁厚進行計算，結果為0.44 mm，與實際值相符。

預防措施：確保列管測厚的準確性和連續(xù)性；提高升溫鈍化的質量；加強對防腐氧含量的檢測，做好物料中硫化氫和氯離子含量的監(jiān)測；更新設備并采用新材料，如選擇Safurex雙相不銹鋼對汽提塔進行更新，以減緩汽提塔的腐蝕，提高汽提塔的運行安全性[11]。

3 甲銨冷凝器的維護與管理

(1)錦西天然氣化工有限責任公司的尿素裝置經過多年的運行，設備進入了使用壽命的末期，設備泄漏和損壞的概率逐漸升高，其中以甲銨冷凝器最為突出。該甲銨冷凝器經過25年的運行，多次發(fā)生泄漏，至今列管共堵管136根，占列管總數的9.3%，封頭襯里也已更換。當甲銨冷凝器因泄漏需要停車檢修時，其工藝處理時間直接影響檢修進度。原處理方法中封塔停車、排塔、蒸汽置換、停低壓蒸汽和加盲板拆封頭等工藝處理時間都是最佳的，縮短工藝處理時間的可能性非常小。甲銨冷凝器殼側自然通風冷卻降溫和列管沖洗、吹掃占用的時間較多，如能對操作步驟進行優(yōu)化，有助于縮短工藝處理時間。

錦西天然氣化工有限責任公司通過總結多年檢修甲銨冷凝器的經驗，提出了優(yōu)化的處理步驟：①高壓系統(tǒng)封塔停車和排塔過程采用原工藝，所需時間為6.5 h；②高壓蒸汽置換的同時入口加沖洗水，所需時間4.0 h；③停低壓蒸汽管網、加盲板、拆甲銨冷凝器工藝側封頭，所需時間為2.5 h；④甲銨冷凝器殼程液位調節(jié)閥處補精制水降溫，然后拆殼側人孔，所需時間為5.0 h；⑤拆隔板時無需佩戴防氨面具，所需時間為1.5 h；⑥根據實際情況，列管內殘留精制水影響檢修作業(yè)，進行列管吹掃，所需時間為4.0 h。2017年9月1日，對甲銨冷凝器泄漏進行搶修時，采用優(yōu)化后的步驟，共耗時23.5 h，比原工藝縮短18.5 h，減少了企業(yè)的經濟損失[12]。

(2)2020年4月11日，中國石油烏魯木齊石化公司化肥廠二尿素裝置甲銨冷凝器下封頭球體部位發(fā)生腐蝕穿孔泄漏，裝置作緊急停車處理，經高壓系統(tǒng)排放、泄壓、置換后進行穿孔部位修復，經檢測合格后投入生產，事故導致尿素裝置停工6 d。泄漏穿孔外觀為碟狀孔洞，長度約30 mm，中心寬度約10 mm，內部蝕孔向兩邊各延伸150 mm。碳弧氣刨和打磨后長約600 mm、寬約180 mm，堆焊層泄漏處有較多腐蝕空洞。通過工藝、針孔缺陷及檢測數據分析，甲銨冷凝器下封頭球體穿孔泄漏的主要原因是設備制造過程中可能遺留制造缺陷，氯離子進入高壓系統(tǒng)造成穿孔泄漏，年度設備檢測存在遺漏，未能及時、有效地消除缺陷[13]。

4 高壓洗滌器的維護與管理

(1)陜西渭河煤化工集團有限責任公司尿素裝置的高壓洗滌器經長期使用后，內襯出現(xiàn)活化腐蝕，減薄非常嚴重。該設備襯里由上、下2個筒節(jié)組成，襯里表面色澤不均勻，筒節(jié)襯里相當粗糙，金屬顆粒脫落現(xiàn)象明顯，特別是中下部局部腐蝕減薄缺陷嚴重，2013年9月大檢修時檢測發(fā)現(xiàn)最薄處僅為4.4 mm。在2016年3月進行的年度大檢修中，對高壓洗滌器襯里進行整體更換，徹底解決了襯里的泄漏隱患，提高了設備運行的安全性和可靠性。

高壓洗滌器更換襯里后，運行可靠性有了極大的提高，主要表現(xiàn)為：①解決了襯里活化腐蝕加劇、襯里快速減薄對泄漏風險不可控的問題；②解決了各接管法蘭密封面經常因腐蝕泄漏，高壓法蘭需要帶壓堵漏的問題；③將上、下封頭耐蝕堆焊層改為瓜皮貼襯襯里，避免了封頭堆焊層發(fā)生泄漏無法及時發(fā)現(xiàn)的風險，解決了承壓殼體發(fā)生強化學腐蝕的問題[14]。

(2)云南水富云天化有限公司高壓洗滌器從2011年至2014年8月共發(fā)生4次泄漏。經綜合分析后認為，靠近管板角焊縫背面的換熱管母材因材料的敏化發(fā)生了晶間腐蝕，換熱管與管板的拉應力、開停車的溫差應力、調溫水中的氯離子在下部富集，在甲銨介質的作用下，換熱管在下部靠近管板角焊縫附近發(fā)生應力腐蝕開裂。根據多次泄漏的實際情況，開裂泄漏是在短時間內發(fā)生的，在開車及運行中發(fā)生的可能性最大，在系統(tǒng)正常停車后的檢測過程中沒有發(fā)現(xiàn)。緩解高壓洗滌器腐蝕的對策：嚴控高調水中的氯離子含量，避免氯離子在殼程靠近下管板區(qū)域富集；嚴控高壓洗滌器升/降溫操作；嚴控修復工藝，有效降低殘余應力[15]。

高壓洗滌器出現(xiàn)泄漏后，均采取堵管的形式予以處理，造成該設備已堵管28根，約占總管數的5%。從堵管后的運行情況看，對裝置產能影響不大。2014年大修時，將換熱管全部進行更換(包括防爆空間襯里)，更換后在生產運行中未發(fā)現(xiàn)異常情況。

5 高壓管道的檢測問題

目前，對大型尿素裝置高壓管道的檢測仍沒有好的方法。根據云南水富云天化有限公司總結的經驗，高壓管道的檢測主要看外觀，同時進行計算機斷層掃描(CT)、磁粉等檢測，內部檢測無法進行，即使檢測也沒有很好的效果，管道內的腐蝕情況缺乏具體量的概念。

6 結語

尿素合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器、高壓洗滌器是大型尿素裝置的重要設備，由于處在高溫、高壓和強腐蝕介質的條件下，極易發(fā)生腐蝕泄漏，因此設備維護與檢測非常重要，要求選擇資質齊全的檢測單位和先進的檢測技術對尿素裝置高壓設備進行檢測、跟蹤及缺陷評估，以保證尿素裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。