尿素高压设备的腐蚀及防腐措施

宦月庆

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

尿素设备腐蚀问题一直影响尿素工业的发展，尤其是尿素高压圈设备在高温高压条件下，当多种化学物质共同作用时，设备腐蚀问题会更严重。国内尿素工作者对尿素高压设备的腐蚀问题作了大量的分析[1-3]。笔者针对中国五环工程有限公司(以下简称中国五环)承接的某尿素项目高压设备在检修时发现的腐蚀问题，提出了防范措施。

1 尿素设备腐蚀的原因

1.1 尿素生产的主要反应

以合成法生产尿素的主要原料是氨和二氧化碳，在高温高压下进行如下化学反应[4]：

2NH3+CO2=NH2CONH2+H2O

在尿素合成反应中，上述反应是分两步进行的，其化学反应式如下：

ΔH=-100.5kJ/mol

(反应条件：P=14.0MPa；t=167℃)

ΔH=+27.6kJ/mol(反应温度t=180℃)

从上述化学反应式可看到：第一步是氨和二氧化碳生成氨基甲酸铵(如下简称甲铵)的反应，这是一个可逆的强放热反应；第二步是甲铵脱水生成尿素的反应，这是一个微吸热可逆反应。

1.2 尿素设备腐蚀机理

尿素系统产生腐蚀的机理一直是众多尿素腐蚀研究学者关注的重要课题。虽然论点很多，见解存在差异，但普遍认为是由工艺过程的中间产物的化学腐蚀和在高温高压下介质的电化学腐蚀所致。

1.2.1中间产物的化学腐蚀

从上述反应式中可看出，尿素合成反应物中存在NH3、CO2、NH4COONH2、NH2CONH2和H2O，除此之外，还有微量的H2S、NH4CNO和HCNO等物质。而NH4COONH2、HN3、H2O、H2S、HCNO等物质，在高温(>100℃)、高压下，特别在共存时，有强烈的腐蚀作用。

1.2.2介质的电化学腐蚀

2 4台尿素高压设备内部腐蚀情况

由中国五环设计的15万t/a尿素装置搬迁改造项目，2014年1月正式投入生产，至今已安全稳定运行6年，其中，2015年12月进行了系统首次停车全面检查，并于2018年底再次停车全面检查，现对4台尿素高压设备腐蚀情况作介绍。

2.1 高压冷凝反应器

人孔密封面为25-22-2材质，呈银白色，光亮，有效密封面完好，密封面见图1。管箱筒体衬里25-22-2材质，表面呈棕褐色，处于正常均匀腐蚀，局部有裂纹腐蚀(见图2)，筒体衬里厚度为7.8～8.2mm，数据正常。换热管管头及与管板焊接接头呈银白色，光亮，处于正常均匀腐蚀状态(见图3)。球封头开孔接管内壁腐蚀均匀，焊接接头采用25-22-2堆焊，表面呈银白色，腐蚀情况良好(见图4)。

图1 人孔密封面

图2 管箱筒体局部裂纹腐蚀状态

图3 换热管及焊接接头腐蚀状态

图4 工艺接管内壁腐蚀状态

2.2 二氧化碳汽提塔

人孔平盖为25-22-2材质，人孔大盖衬里表面呈棕褐色，耐腐蚀堆焊层局部腐蚀(腐蚀疏松)，管箱筒体衬里为25-22-2材质，呈棕褐色，均匀腐蚀(见图5)，筒体衬里厚度为8.2～8.7mm，数据正常。气相区衬里(封头耐腐蚀堆焊层、管箱筒体衬里)表面有不致密的气相垢层覆盖，均处于正常均匀腐蚀状态。封头耐腐蚀堆焊层为25-22-2材质的带极堆焊层，衬里焊缝呈银白色，焊道较清晰，处于正常均匀腐蚀状态。管板耐蚀堆焊层为25-22-2材质的带极堆焊层，表面呈银白色，处于正常均匀腐蚀状态。分布器管头呈棕褐色，局部腐蚀较严重(见图6)。

图5 管箱筒体腐蚀状态

图6 分布器管头腐蚀状态

2.3 高压洗涤器

该设备衬里及其焊缝、列管及其角焊缝、内件及其连接焊缝处于正常均匀腐蚀状态。球形封头内耐蚀层为25-22-2材质的带极堆焊层和手工堆焊层，气相区表面有不致密的气相垢层覆盖；球形封头的带极堆焊层局部腐蚀(气孔、腐蚀疏松)。

2.4 尿素合成塔

筒体衬里为25-22-2材质，呈棕褐色，表面稍粗糙，正常均匀腐蚀气相区有不致密的气相垢层覆盖，液相区呈银白色、光亮，焊道清晰，均处于正常均匀腐蚀状态。上封头带极堆焊层表面有7处表面缺陷(腐蚀疏松)。下封头耐蚀堆焊层为25-22-2材质的带极堆焊层，处于液相区，表面呈银白色、光亮，处于正常均匀腐蚀状态。

3 防止高压设备腐蚀的措施

根据尿素高压设备腐蚀机理，影响设备腐蚀的因素主要有使用材料、介质温度及其组成等方面。因此，可从以下几个方面采取相应措施。

(1)设备选材。尿素高压设备设计选材时，应根据腐蚀特征选用专用尿素级不锈钢材料，耐腐蚀性强。从本项目尿素高压设备选材来看，高压尿素接管材质，一般采用X2CrNiMoN17133(mod)，高压管内表面有磨蚀、不光滑，颜色为棕色，有腐蚀情况。人孔平盖、管箱筒体、球封头堆焊和筒体衬里为X1CrNiMoN25-22-2，腐蚀均匀，耐腐蚀性很好。

因此，在今后的尿素高压设备设计中，高压接管的尿素级不锈钢选择X1CrNiMoN25-22-2，以保证设备耐腐蚀性能一致，提高设备的使用寿命。

(2)制造过程中应严格把控质量，详细检查进口原材料的质量合格证书，并复验。焊接中避免各种焊接缺陷，铁素体含量≤3%。尿素级不锈钢25-22-2的手工焊、带极堆焊的焊接工艺评定必须通过尿素高压设备标准规定的焊接工艺评定和焊工的考试资格认定。焊接工艺评定试件的晶间腐蚀试验必须通过尿素高压设备腐蚀试验标准规定的合格指标。对于尿素高压设备换热管与管板手工焊接和堆焊、带极自动堆焊必须遵循评定合格的焊接工艺和考试合格的焊工施焊。从汽提塔管箱衬里的局部腐蚀情况看，设备衬里的制造过程中应严格保护金属表面，不得有划伤、污染拆皱等损伤。

(3)系统开、停车方面。开车前可使用双氧水或纯氧在设备内表面形成一层致密的钝化膜，起到耐腐蚀作用。停车封塔前可增加系统的含氧量，尽量减少装置开停车次数，短停封塔时间不能超过24h。

(4)运行过程中防腐处理。严格控制设备操作温度上限；保证系统稳定运行，定量连续加双氧水或纯氧防腐。提高系统的氨碳比，降低水碳比，严格控制氧含量≥0.6%～0.8%(体积分数)，保证尿素级不锈钢材料钝化膜，不受破坏。

4 结语

4台高压设备是尿素装置生产的核心设备，较好地判断设备腐蚀情况，并及时采取相应的措施进行防腐，不仅可以提高设备的使用寿命，保证尿素系统的稳定和长周期运行，还可以为检修和维护提供可靠的依据。