尿素氨汽提塔的泄漏原因分析

王 斌

(河南能源化工集团中原大化公司，河南 濮阳 457000)

在氨汽提尿素工艺的生产过程中，氨汽提塔是氨汽提尿素系统中最核心的设备。由尿素合成塔出来的反应混合物流向汽提塔，混合物在汽提塔管内向下流动时被加热，溶液中二氧化碳因氨的汽提作用而自溶液中沸腾逸出，最高温度达到210℃，运行期间，整个汽提塔处于高温、高压、甲铵浓度相对较高的环境中，因此，氨汽提塔在长时间运行后，易出现各种原因引起的泄漏。

1 氨汽提塔的结构

河南能源化工集团中原大化公司(以下简称中原大化)尿素汽提塔设计为直立式管壳式热交换器，汽提塔的设计参数如下：2 574根φ27mm×3.5mm的换热列管，列管总长5 830mm，换热面积814m2，列管材质为钛材；该设备均为上下对称，上下管箱均衬以5mm厚钛板，管侧管板面衬10mm厚钛板，管子固定在上下管板上，在上管板装了分布器，运行一段周期后，汽提塔可以调头使用，增加设备的使用寿命。

2 汽提塔的运行和泄漏情况

在正常生产中，因原料天然气供应原因，中原大化尿素装置最高负荷达到110%(30kNm3/h)，最低负荷只有30%(8kNm3/h)，最长连续运行周期为145 d，高压系统封塔最长时间为53h；2004年2月12日，对汽提塔E-101进行了倒头处理，截至2019年11月21日，累计运行时间7 609d，其中停车497次，累计封塔时间318d，其中，因为汽提塔泄漏导致的停车出现6次。

2019年11月20日，蒸汽冷凝液电导A09801和蒸汽电导A09802由7.3μs/cm左右缓慢上涨至16μs/cm左右，立即对装置冲洗水系统和相关换热器进行排查，排查发现，E101壳侧惰气排放处氨氮达到1 229.82mg/L，11月21日继续取样分析，该处氨氮数据分别为1 262.78mg/L、1 264.84 mg/L，初步判断为汽提塔E101泄漏，22日取样分析分别为2 502.9mg/L、2 482.3mg/L、2 533.8mg/L。

3 汽提塔泄漏原因分析

汽提塔壳侧惰气排放处出现氨氮超标，在分析进入汽提塔壳侧蒸汽合格的前提下，一般有两个原因造成此问题，即汽提塔换热管泄漏和管板列管角焊缝泄漏，而汽提塔管板外侧盖板泄漏一般是在检漏孔处，下面从设备结构和腐蚀机理两个角度对这两种泄漏情况进行重点分析。

3.1 汽提塔列管泄漏

汽提塔主要的腐蚀形式为汽提塔上部汽提管的冲刷腐蚀，随着运行时间加长，汽提塔列管上部管段局部会出现腐蚀减薄、冲刷沟槽现象，部分管段腐蚀严重，大多减薄和冲刷沟槽区域在距上管口100～150cm的范围内，区域的具体范围取决于设备的结构和设计负荷。其腐蚀泄漏的原因包括以下四点：一是从整根汽提管温度分布上来说，该处温度最高，汽提管外侧可达225℃，由于温度升高，钛材的耐腐蚀性能有所下降；二是该处的汽提作用最强，由于温度高，使得与管壁相接触的溶液中的气相急剧蒸发，所形成的湍流造成冲刷腐蚀；三是列管的液体分布器质量差，造成各个列管进液不均匀；四是液体分布器安装不规范，液体通过管口直接进入列管，形成湍流，造成列管冲刷腐蚀。

根据以上腐蚀情况判断，如果列管出现泄漏，泄漏点大概率会出现在冲刷腐蚀减薄区，且其出现后扩展速度较快，泄漏量较大，近几次汽提塔泄漏数据见表1。

表1 汽提塔泄漏数据

3.2 管板列管角焊缝泄漏

汽提塔管板角焊缝主要腐蚀形式有均匀腐蚀、应力腐蚀、角焊缝疲劳，而造成腐蚀泄漏的原因有三点：一是列管的温差应力和热疲劳，由于列管上下的温差在20℃左右，并且在185～210℃的温度下运行；二是在运行中由于大幅加减负荷、开停车造成管束震动，引起焊接处疲劳；三是制造缺陷，热影响区是换热管和管板焊接最薄弱的部位，也是换热器发生泄漏的起始部位，若不能保证焊接质量，极易产生残余变形、残余应力、延迟裂纹。

根据以上腐蚀情况判断，如果列管角焊缝出现泄漏，漏点的主要形式为气孔和裂纹，因角焊缝相对较厚，并且此处不存在冲刷腐蚀，不会出现大面积减薄区，漏点相对较小。

4 汽提塔泄漏位置判断

汽提塔为立式换热器，上下管板都存在泄漏的可能性，通过设备结构和数据分析可知，汽提塔在换热过程中，蒸汽换热后的冷凝液将会在换热器的底部有10cm左右的积存，因此，上下管板泄漏将会对壳侧惰气排放处、壳侧冷凝液处氨氮的含量产生不同的影响，如果下管板泄漏，壳侧冷凝液中的氨氮含量将会比上管板泄漏时明显出现上涨，汽提塔上下管板泄漏时的数据分析见图1、图2。

图1 下管板泄漏时液相分析数据

图2 上管板泄漏时液相分析数据

5 汽提塔检修和查漏方法

在氨汽提尿素工艺中，整个高压系统设备相互连通，同时设备体积较大，不易单独隔离，因为高压系统设备需要在14.5～15.5MPa的压力下运行，所以高压系统的合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器、甲铵分离器设备壁厚较大，蓄热量大，如果将整个高压系统设备统一降温，将大大增加交出时间，这时可以通过局部降温的方法，对高压设备进行降温，将大大节约检修时间。

初步判断为管板列管角焊缝泄漏后，只拆除汽提塔上管箱的进液十字分布器和清理上管箱填料，不拆除汽提管的液体分布器，在上管板注入脱盐水，壳侧通空气进行查漏，发现一列管角焊缝泄漏，随后采取拆除部分汽提管液体分布器的方法，腾出焊接空间，对漏点进行消漏，整个检修过程与常规处理过程相比，节约检修周期2～3d。

6 结语

汽提塔是尿素装置的关键设备，只有充分认识和掌握尿素汽提塔的结构和腐蚀规律，严谨地分析泄漏时的数据，才能准确判断出泄漏位置，从而制定科学、合理的检修方案，极大减少检修时间和降低检修工作量。