大型尿素装置高压设备的安全运行与维护管理

2021-04-15刘增胜

肥料与健康 2021年6期

刘增胜

(中石化宁波技术研究院有限公司浙江宁波 315103)

大型尿素装置中的尿素合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器、高压洗涤器等4种高压设备是尿素装置的重要设备，由于高温、高压和强腐蚀介质的存在，比较容易发生各种腐蚀，日常的维护与管理及防腐工作直接影响尿素装置的长周期运行，如果处理不当，很可能会发生非计划停车，甚至造成环保事件或人员伤亡事故。因此，对尿素装置高压设备的维护管理要给予足够的重视。

通过宏观腐蚀检测、涡流检测、超声波探伤、磁感应检测等综合检测手段，对尿素高压设备的列管壁厚减薄、列管应力腐蚀裂纹、腐蚀缺陷、机械划伤及其他材料不连续性缺陷，管子-管板角焊缝焊接缺陷(如未熔合、夹渣、气孔、条状孔等)，碳钢管板腐蚀空洞及不锈钢耐蚀层厚度、衬里母材及焊缝中铁素体含量等进行测定，对检测结果进行综合分析，有助于判断设备在下一个运行周期内能否安全运行。采用计算机技术及数理统计方法对检测数据进行分析，了解列管壁腐蚀分布规律、缺陷位置和深度、碳钢管板腐蚀程度、腐蚀层厚度等，掌握设备在一个运行周期内的运行状况，为正确判断故障的形式、种类，确定故障的原因及程度，制定正确的设备维修计划和预防性维修计划，预测设备的可靠性和使用寿命，制定合理的设备更新和备用计划提供依据。

1 尿素合成塔的维护与管理

(1)中国石油宁夏石化公司化肥二厂的尿素合成塔是1997年引进的二手设备。2005年，在对装置进行50%扩能改造时，将尿素合成塔内的8层筛板改成了10层高效筛板。2013年8月，尿素合成塔衬里因腐蚀严重减薄，发生一起焊缝穿透性针状气孔泄漏事故。对合成塔进行安全性能评估后认为，尿素合成塔的安全状况已经影响正常生产，因此在2013年冬季大检修时将尿素合成塔衬里全部予以更换。

通过检测发现：尿素合成塔筒节衬里总体钝化效果不佳，呈棕色，衬里表面普遍存在大面积的平滑凹坑，且局部存在机械损伤沟槽；第11、12、13筒节衬里的鼓包现象较为严重；筒体环焊缝存在轻微腐蚀现象，局部发黑点较多，表面有金属颗粒脱落现象，焊缝熔合线存在腐蚀沟槽，第12筒节贴补衬里纵焊缝边缘存在5处蚀坑。尿素合成塔自1999年投产至2013年已经使用14年，设备处于故障易发阶段，材质进入了劣化期。针对尿素合成塔衬里腐蚀逐年加剧及影响尿素用材料腐蚀的因素，结合实际生产情况，得出腐蚀的主要原因为：水碳比过高；尿素合成塔在投料初期时超温、超压，防腐空气氧含量过低，造成衬里进入活化加速腐蚀阶段；长期低负荷运行等[1]。

维修方案：委托大连松海石化检修工程有限公司将尿素合成塔从第8、9节筒体环焊缝处切割开，将上段塔体倒立于地面工装座上后，两段同时更换衬里；然后将上段塔体复原，组焊环焊缝，经射线检测和超声检测检验合格后，对环焊缝进行消除应力热处理，再安装内部塔盘。更换的衬里材质为2RE-69(00Cr25Ni22Mo2)，厚度为6 mm。

(2)河南能源化工集团中原大化公司尿素合成塔塔盘原设计采用气液鼓泡型筛板，运行多年后减薄严重，合成塔转化率偏低(53%～55%)。为提高合成塔转化率、降低装置消耗，2013年利用大修机会将气液鼓泡型筛板更换为径流式塔盘，改造后合成塔转化率提高了3%，吨尿素氨耗降低1%、蒸汽消耗降低5%、电耗降低1 kW·h[2]。

(3)中海石油化学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，已运行22年，经历了16次检修(包括2次抢修)，其中：2001年3月中心出液管破裂进行抢修；2004年底塔盘改造大修；2005年底检漏系统改造大修；2013、2014年分别对腐蚀严重的第17、18筒节进行贴衬处理；2016年大修时，对合成塔衬里进行了更新，衬里材质升级。目前尿素合成塔运行稳定，处于良好状态[3]。

(4)四川天华股份有限公司尿素合成塔自1995年投入运行至2017年，因衬里腐蚀已进行多次打磨补焊，其中2010—2017年发生过4次泄漏，泄漏部位均为衬里板焊缝处。在2017年大检修期间，发现衬里表面整体腐蚀严重，表面非常粗糙，焊缝处焊肉与衬里板局部肉眼可见，决定将尿素合成塔衬里整体更换。运行至2019年1月再打开检查，焊缝表面光亮如新，焊缝及衬里板无腐蚀痕迹，表明衬里改造获得成功[4]。

2 汽提塔的维护与管理

2.1 氨汽提塔

(1)2013年7月4日，重庆建峰化工股份有限公司第一套尿素装置的氨汽提塔管板发生泄漏，至8月19日停车消缺检修，连续监控运行46 d。从查漏结果看，泄漏点靠近惰性气体放空点区域[5]。监控运行期间，监测数据4次出现较大的波动，判断其漏点处有渣堵塞，系氨汽提塔调头使用时管板机械清洗不彻底，泄漏通道被异物堵塞。查阅氨汽提塔历次大修档案，此处无列管头更换记录，此次第一排第4根列管针眼气孔泄漏位置处于角焊缝下边缘与管板耐蚀层焊接处，说明该角焊缝缺陷为原始制造缺陷。从腐蚀孔洞检测结果看，其泄漏未对管板碳钢层造成较大危害。此次采用快速查漏法对液体分布管进行局部拆卸，大大缩短了检修时间，减少了停车损失。

由于钛材的特殊性，在高温下很容易与氢、氮、氧结合，在焊接过程中如果保护不周，焊缝极易产生焊接缺陷。而换热管与管板角焊缝检测手段有限，很难实现无损检测，在焊接过程中主要依靠焊接人员自检和焊后着色检查。该角焊缝焊接完成后，通过外观检查和着色检查无法发现内部的气孔缺陷，当设备投入使用后，随着焊缝表面焊肉逐渐被腐蚀，该缺陷便暴露出来，出现泄漏。

缺陷处理后，氨汽提塔于2013年8月21日投入运行，壳侧蒸汽电导率和冷凝液电导率均恢复至正常值。2015年1月，该汽提塔因换热管整体腐蚀进行设备更新，其间未发生过泄漏。

(2)中国石油塔里木油田公司石化分公司尿素装置采用氨汽提工艺，于2009年建成投产。汽提塔正常操作的工艺温度可达207 ℃，压力可达14.6 MPa。由于工艺介质中含有甲铵，具有强烈的腐蚀性，因此管箱材质采用碳钢+Cr25Ni22Mo2衬里，管板材质采用最小10 mm厚的Cr25Ni22Mo2堆焊层。

2014年汽提塔下管板角焊缝与换热管熔合区发生腐蚀泄漏，利用尿素装置停车检修机会对汽提塔进行宏观检查，在上管箱管板堆焊层发现了严重的腐蚀沟槽，占上管板堆焊层圆周的1/3。2015年1月，汽提塔上封头出现微漏现象，尿素装置经过2次短停消缺，11月进行带压堵漏，12月装置停工，对漏点进行抢修。出现泄漏的原因：①在结构薄弱点上存在腐蚀介质作用，多次开停车使应力腐蚀加剧，致使角焊缝与换热管熔合区腐蚀穿透；②腐蚀是由铁素体严重超标引起的，焊接时未严格按照标准进行；③汽提塔上人孔盖处泄漏，形成甲铵对碳钢的腐蚀，带压堵漏后，由于没有完全堵住漏点，泄漏出的甲铵积聚在人孔盖及螺栓的碳钢部位，造成腐蚀。

预防及应对建议：检修时对材料的腐蚀情况及材质也一并检测，特别是存在应力腐蚀的部分；选用合适等级的构件，密封垫选择与封头相同的材质；补焊腐蚀部位要选用合适等级的焊条，否则会因异种钢而发生电化学腐蚀；回装设备时注意上部分布管的安装，安装不当会造成尿液在汽提塔内分布不均，甚至造成某些管中满液而某些管中“干烧”，加剧腐蚀；必须避免检修用品遗留在设备内堵塞小孔，造成尿液分布不均；汽提塔的安全阀按要求定期检查，否则在超压时如无法及时泄压，对设备的封头、螺栓等都会造成损害，进而引起泄漏及缝隙腐蚀，甚至会发生严重事故；严格按工艺操作要求控制温度、压力的升降速率，控制氨碳比、水碳比在合适的范围内；可适当增加钝化空气的加入量，但必须保证中压放空不能形成爆炸性气体；严格监控汽提塔中尿液的电导率和镍含量，对异常情况要进行快速反应和排查，防止事故扩大，减少损失[6]。

氨汽提塔防腐措施：①保证汽提塔钝化空气量，钝化空气流量不稳定极易造成汽提塔发生缺氧腐蚀；②严格控制高压系统压力，使氨和二氧化碳在高压甲铵冷凝器内充分冷凝吸收，避免高压系统超压，减少高压冲洗水加入对系统水平衡的影响；③加强对物料的取样分析，严格控制原料二氧化碳中的硫含量及工艺冷凝液、蒸汽、冲洗水等介质中的氯含量，避免设备发生腐蚀；④严格控制系统氨碳比、水碳比，正常生产时系统氨碳比应尽可能控制在指标上限，水碳比应尽可能控制在指标下限；⑤封塔时间一般应控制在24 h以内，若停车封塔时再向系统内加入一定量的氨，封塔时间可延长至48 h内；⑥正常生产时要稳定操作，避免系统出现大幅波动，防止汽提塔顶部超温，开车时升温速率不大于30 ℃/h，升压速率不大于3.0 MPa/h[7]。

(3)中海石油化学股份有限公司化肥一期尿素装置采用氨汽提工艺，2010年汽提塔首次出现泄漏，之后泄漏频率呈逐年上升趋势，且随着历年的检修，汽提塔已堵管154根，堵管率高达6.6%，换热效率下降，生产能力严重不足。2014年底大修时对汽提塔进行了整体更换，更换后汽提塔运行工况稳定，换热效率明显提高，能耗也大幅降低，但在运行过程出现了内部进液套管和底部出液管法兰腐蚀泄漏、液位异常、壳侧惰气氨含量偏高等情况。针对存在的问题，2019年4月大修时更换了部分螺栓，材质为00Cr25Ni22Mo2型材；重新标定汽提塔液位，并增加1只接收器；对汽提塔下部壳侧惰气排放预留口盲板进行改造，开孔后增加取样导淋。汽提塔改进后再次检查，未发现泄漏，最终解决了汽提塔泄漏问题[8]。

有文献报道[9]，从尿素合成塔进入汽提塔的物料流量相对较低时，即低负荷运行时，汽提塔分布器的液位降低，无法形成有效液位，造成汽提塔列管中尿液分布不均匀，部分列管阻力增大，使来自汽提塔底部的二氧化碳和氧气进入列管的量相应减少，加速了这部分列管的腐蚀。解决措施是优化系统参数，并适当提高氧气含量。

2.2 二氧化碳汽提塔

(1)重庆建峰化工股份有限公司第二套尿素装置采用二氧化碳汽提工艺，2013—2019年均对二氧化碳汽提塔液体分布管和换热器列管腐蚀情况进行了检测[10]。液体分布管腐蚀较严重的有1 493根，占总管数的38.93%，部分分布管孔焊缝已腐蚀穿透，分布孔明显变大；换热列管最长运行时间2 496 d，最小壁厚1.75 mm(设计2.5 mm)，年腐蚀率0.1 mm。液体分布管腐蚀的主要原因是存在设计缺陷以及焊接时热输入量过大，焊缝热影响区耐蚀性能变差；换热列管腐蚀减薄的主要原因是前端氧气加入量偏少，氨碳比控制偏低，无法在列管内壁形成良好的保护膜。

处理措施：改进液体分布管头材质，更换液体分布管材质并局部修复，控制氨和氧的含量。2019年12月更换了300只液体分布管头和1 200根液体分布管，液体分布管头材质由Safurer升级为Safurer DEGREE级的耐冲击棒材，液体分布管材质由S32906更换为X2CrNiMoN25-22-2。更换后汽提效率明显提高，同等负荷下吨尿素节约蒸汽10 kg。

(2)陕西渭河煤化工集团有限责任公司的尿素装置自1996年5月首次投料至2019年已运行了22年，高压设备处于使用寿命的末期，尤其是二氧化碳汽提塔，近几年管板角焊缝频繁出现泄漏。2018年7月，二氧化碳汽提塔发生爆管，严重影响尿素装置长周期安全稳定运行。汽提塔爆管停车后，对所有列管进行涡流测厚，结果壁厚为1.80～2.50 mm，平均厚度为2.21 mm，能够满足设备安全运行的要求。在测厚的同时，对发生爆管的列管进行拔管作业，拔出后检查爆管裂口基本为平切开，断面处管壁厚度的测定值为0.40 mm。判断此次爆管的主要原因为该列管可能存在制造缺陷，在运行过程中出现异常减薄后未能及时发现，在较高的压力下最终发生塑性变形而破裂。对该材质列管在运行情况下发生爆管的最小壁厚进行计算，结果为0.44 mm，与实际值相符。

预防措施：确保列管测厚的准确性和连续性；提高升温钝化的质量；加强对防腐氧含量的检测，做好物料中硫化氢和氯离子含量的监测；更新设备并采用新材料，如选择Safurex双相不锈钢对汽提塔进行更新，以减缓汽提塔的腐蚀，提高汽提塔的运行安全性[11]。

3 甲铵冷凝器的维护与管理

(1)锦西天然气化工有限责任公司的尿素装置经过多年的运行，设备进入了使用寿命的末期，设备泄漏和损坏的概率逐渐升高，其中以甲铵冷凝器最为突出。该甲铵冷凝器经过25年的运行，多次发生泄漏，至今列管共堵管136根，占列管总数的9.3%，封头衬里也已更换。当甲铵冷凝器因泄漏需要停车检修时，其工艺处理时间直接影响检修进度。原处理方法中封塔停车、排塔、蒸汽置换、停低压蒸汽和加盲板拆封头等工艺处理时间都是最佳的，缩短工艺处理时间的可能性非常小。甲铵冷凝器壳侧自然通风冷却降温和列管冲洗、吹扫占用的时间较多，如能对操作步骤进行优化，有助于缩短工艺处理时间。

锦西天然气化工有限责任公司通过总结多年检修甲铵冷凝器的经验，提出了优化的处理步骤：①高压系统封塔停车和排塔过程采用原工艺，所需时间为6.5 h；②高压蒸汽置换的同时入口加冲洗水，所需时间4.0 h；③停低压蒸汽管网、加盲板、拆甲铵冷凝器工艺侧封头，所需时间为2.5 h；④甲铵冷凝器壳程液位调节阀处补精制水降温，然后拆壳侧人孔，所需时间为5.0 h；⑤拆隔板时无需佩戴防氨面具，所需时间为1.5 h；⑥根据实际情况，列管内残留精制水影响检修作业，进行列管吹扫，所需时间为4.0 h。2017年9月1日，对甲铵冷凝器泄漏进行抢修时，采用优化后的步骤，共耗时23.5 h，比原工艺缩短18.5 h，减少了企业的经济损失[12]。

(2)2020年4月11日，中国石油乌鲁木齐石化公司化肥厂二尿素装置甲铵冷凝器下封头球体部位发生腐蚀穿孔泄漏，装置作紧急停车处理，经高压系统排放、泄压、置换后进行穿孔部位修复，经检测合格后投入生产，事故导致尿素装置停工6 d。泄漏穿孔外观为碟状孔洞，长度约30 mm，中心宽度约10 mm，内部蚀孔向两边各延伸150 mm。碳弧气刨和打磨后长约600 mm、宽约180 mm，堆焊层泄漏处有较多腐蚀空洞。通过工艺、针孔缺陷及检测数据分析，甲铵冷凝器下封头球体穿孔泄漏的主要原因是设备制造过程中可能遗留制造缺陷，氯离子进入高压系统造成穿孔泄漏，年度设备检测存在遗漏，未能及时、有效地消除缺陷[13]。

4 高压洗涤器的维护与管理

(1)陕西渭河煤化工集团有限责任公司尿素装置的高压洗涤器经长期使用后，内衬出现活化腐蚀，减薄非常严重。该设备衬里由上、下2个筒节组成，衬里表面色泽不均匀，筒节衬里相当粗糙，金属颗粒脱落现象明显，特别是中下部局部腐蚀减薄缺陷严重，2013年9月大检修时检测发现最薄处仅为4.4 mm。在2016年3月进行的年度大检修中，对高压洗涤器衬里进行整体更换，彻底解决了衬里的泄漏隐患，提高了设备运行的安全性和可靠性。

高压洗涤器更换衬里后，运行可靠性有了极大的提高，主要表现为：①解决了衬里活化腐蚀加剧、衬里快速减薄对泄漏风险不可控的问题；②解决了各接管法兰密封面经常因腐蚀泄漏，高压法兰需要带压堵漏的问题；③将上、下封头耐蚀堆焊层改为瓜皮贴衬衬里，避免了封头堆焊层发生泄漏无法及时发现的风险，解决了承压壳体发生强化学腐蚀的问题[14]。

(2)云南水富云天化有限公司高压洗涤器从2011年至2014年8月共发生4次泄漏。经综合分析后认为，靠近管板角焊缝背面的换热管母材因材料的敏化发生了晶间腐蚀，换热管与管板的拉应力、开停车的温差应力、调温水中的氯离子在下部富集，在甲铵介质的作用下，换热管在下部靠近管板角焊缝附近发生应力腐蚀开裂。根据多次泄漏的实际情况，开裂泄漏是在短时间内发生的，在开车及运行中发生的可能性最大，在系统正常停车后的检测过程中没有发现。缓解高压洗涤器腐蚀的对策：严控高调水中的氯离子含量，避免氯离子在壳程靠近下管板区域富集；严控高压洗涤器升/降温操作；严控修复工艺，有效降低残余应力[15]。

高压洗涤器出现泄漏后，均采取堵管的形式予以处理，造成该设备已堵管28根，约占总管数的5%。从堵管后的运行情况看，对装置产能影响不大。2014年大修时，将换热管全部进行更换(包括防爆空间衬里)，更换后在生产运行中未发现异常情况。