大型化肥厂尿素高压设备腐蚀现状及对策解析

侯志敏，刘秀廷

（海洋石油富岛有限公司化肥一部，海南 东方 572600）

目前，我国绝大部分大型化肥厂生产尿素采用二氧化碳汽提工艺，或氨汽提工艺。不管哪种工艺，在高温生产环境下会生成多种化学物质，而这些化学物质会直接对高压设备的钢材造成腐蚀。尿素高压设备故障中最常见的就是腐蚀问题，因腐蚀问题造成的停产概率非常高，严重影响大型化肥厂生产效益，同时还会影响高压设备运行的安全性，甚至会造成安全隐患。虽然化肥厂在高压设备养护期间采取了相应的维护方案，但要想让尿素高压设备恢复到最佳生产状态，则要采取有效的防腐手段。

1 尿素高压设备腐蚀相关阐述

1.1 腐蚀机理

尿素高压设备在运行中产生的腐蚀问题，其中包含多种因素，如高压介质电化学腐蚀、生产过程化学性腐蚀等。具体表现如下。

（1）化肥生产过程中会生成氨基甲酸根和氰酸根，而该物质具有还原性，组织金属表面氧化膜的生成，氧化膜是重要的防腐层，一旦氧化膜无法生成则会造成金属活化腐蚀。

（2）不锈钢中所含有的元素会与氨发生反应生成络合物，而络合物会破坏金属氧化膜，从而出现腐蚀情况。

（3）尿素生产中需要加入一定比例的甲铵液，而甲铵液会与不锈钢产生羟基反应，生成金属羟基化合物，导致金属溶于溶液中产生腐蚀问题。甲铵液中含有多种离子化合物，在高温高压条件下形成非常强的电解质，增加溶液的导电性，这样在金属表层就形成了正负极系统，加速了腐蚀速率。

1.2 腐蚀特点

尿素高压设备腐蚀可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀，不同的腐蚀面积其腐蚀特点也有所差异。具体表现如下。

（1）均匀腐蚀往往在压力设备内部产生大面积腐蚀，导致金属表面被破坏，表现为粗糙、无光泽，通常是由于甲铵液高温作用、氧气含量低、甲铵液浓度高、甲铵液凝气等因素造成的结果。

（2）局部腐蚀可以分为点蚀、缝隙腐蚀，其中点蚀出现在金属特定部位产生的腐蚀口，腐蚀面积非常小，其他金属部位均有氧化膜防护；缝隙腐蚀主要出现在金属的连接处，这部分主要是因为焊接表面不平整，接触介质面积大或受介质长期冲刷造成的腐蚀。

（3）晶间腐蚀，是指沿着晶间出现腐蚀，导致钢材晶体出现裂纹，这类腐蚀在金属表面不会出现明显的腐蚀现象，但是会影响钢材的自身性能和机械强度，是一种隐藏性的腐蚀隐患。

（4）选择性腐蚀，是指甲铵液对钢材以及连接处选择性腐蚀，这类腐蚀可能是因为局部应力过大或局部冲刷力较大造成的结果。

（5）应力腐蚀，顾名思义是因为应力作用造成的腐蚀问题，如果某个部位应力过于集中且受到介质腐蚀，会造成应力集中部位加速腐蚀，在生产尿素过程中，在压力作用下导致金属表面压力不稳定，出现交变压力，从而出现腐蚀问题。

（6）疲劳腐蚀，金属疲劳是因为受到长期的应力作用导致金属性能下降，其中也包括防腐性能下降，一般呈现为腐蚀金属表面产生很多的细小裂纹，随着腐蚀介质的持续作用，裂纹会逐渐扩大、加深，形成贯穿型金属裂缝。

（7）冷凝腐蚀，主要是受到温度影响，介质在低温作用下生成甲铵冷凝液，该液体会破坏金属表面的氧化膜，从而造成腐蚀问题。

（8）冲涮腐蚀，主要是介质在流动、反应过程对设备金属耐蚀衬里、列管造成腐蚀问题，形成沟槽、坑蚀等缺陷。

1.3 腐蚀的影响因素

在尿素高压设备运行中，造成或加速其腐蚀的因素有很多，如温度、氨碳比、水碳比、甲铵液浓度、含氧量、氯离子含量等，其主要表现如下。

（1）温度。由于尿素生产中会持续发生化学反应而生成热量，如果长时间超温运行，就会加速高压设备的腐蚀速率和加大腐蚀程度。通过资料查询得知，生产温度每提升10℃，则反应速率提升1倍，温度升高会提升钝化态、活化态腐蚀率，缩小不锈钢钝化范围。实践表明，当操作温度由165℃提升到200℃，不锈钢腐蚀率会提升3倍以上。

（2）氨碳比。从化学层面分析，氨对碳钢的腐蚀性并不大，并且氨还能够中和液体的酸碱度，抑制氰酸氨、氰酸等腐蚀性物质产生，从而起到一定的防腐作用。如果氨碳比设计不科学，则无法发挥氨的防腐作用，造成金属受到腐蚀。因此，停车封塔时，二氧化碳气提工艺封塔时间应控制在24h以内，氨汽提工艺封塔则可以持续48h以上。

（3）水碳比。如果水碳比控制不当，则会加速介质对金属材料的腐蚀率。如果在生产中，高压系统的含水率增加，会导致溶液变稀，导致NH4COONH2离解度增加，增加了高还原性离子浓度则会导致CNO离子和COONH2离子增加，加速金属的腐蚀速率。

（4）甲铵液浓度。甲铵液本身就带有腐蚀性，增加甲铵液浓度，同时增加生产温度，会进一步加速金属腐蚀率。这是因为高浓度甲铵液中的COONH2离子含量增多，破坏钝化膜，导致金属表面腐蚀。

（5）含氧量。如果甲铵液中的含氧量不足，则无法起到金属表面与介质的隔绝作用，从而提升腐蚀率。

（6）氯离子。尿素生产中需要加入甲铵液、蒸汽、冷凝液，而冷凝液中包含氯离子，氯离子本身就带有腐蚀性，如果冷凝液中的氯离子含量过高会加速金属腐蚀。这是由于氯离子作为一种活性阴离子，会打破钝化膜溶解、修复的平衡，增加介质的溶解性能。氯离子会吸附到氧化膜上，替换氧化膜中的氧离子，将钝化膜的阳离子结合成可溶性氯化物，这样在金属表面上就会形成多个点蚀坑，而这些点蚀坑就是活性中心，并向四周扩大腐蚀面积。

除了上述6个腐蚀因素外，在开停车过程中也会造成设备腐蚀问题。在生成完毕后封塔停工，如果高压系统中依然存有反应液，会持续对反应液接触的金属部位造成腐蚀，这就需要在操作中、维护中注意设备清理。开停工中，如果汽提塔出液系统存在问题，如指数超标等，则会导致汽提塔遭受腐蚀。封塔期间，镍含量会随着生产持累积，在开工时镍含量高于标准值，则会加速金属腐蚀率。高压设备由于是多种金属材料制作而成，而不同材料的遇热膨胀系数不同，在生产中投入物料后会生成大量反应热，而不同的材料膨胀系数会导致机械变形损伤。

2 尿素高压设备腐蚀现状

下文以某大型化肥厂为例，所投入使用的尿素高压设备在2015年进行改造，距今已有8年时间，分别在2016年、2019年、2022年底展开了3次全面停车检查。在3次检查中均出现了不同程度上的腐蚀问题。其表现在：

2.1 尿素合成塔

该化肥厂尿素高压设备衬里材料采用的是316LMOD，该材料表面上出现了均匀粗糙面，表面颜色为褐色，气相区产生均匀的腐蚀情况，有不致密的气相垢层，液相区金属表面并无出现过度腐蚀情况，表面光滑平整，呈银色，焊接连接处完好，只有一些常规性腐蚀。上封头部位出现了多处腐蚀，主要呈现为疏松的腐蚀面，下封头并无过度腐蚀现象，表面光滑平整，呈银色，只有一些常规性腐蚀。

2.2 高压冷凝反应器

高压冷凝反应器的人孔密封面采用的是25-22-2材料，在检查过程中密封面没有出现过度腐蚀情况，依然可以正常投入使用，表面光滑平整，呈银色。管箱筒体衬里同样采用的是25-22-2材料，表面呈现为黄褐色的均匀腐蚀，局部出现严重的腐蚀情况，已经产生了肉眼可见的裂缝，衬里厚度在7.8～8.2mm，处于正常范围内。换热管的管身、管头、焊接部位表面光滑平整，呈银色，均为常规腐蚀情况。工艺接管内部的球封头开孔内部腐蚀为常规腐蚀，接头堆焊部位（25-22-2材料）表面光滑平整，呈银色。

2.3 汽提塔

汽提塔上部气相部位出现了较为严重的冷凝腐蚀现象。人孔平盖采用的是ASTM A266Gr.2+ASTM A265Gr.1材料，人孔盖衬里出现了褐色腐蚀情况，在堆焊层出现了较为严重的局部腐蚀情况。管箱筒体衬里与人孔平盖采用相同的是ASTM A302Gr.B+ASTM A265Gr.1材料，检查中出现了褐色腐蚀情况，腐蚀为均匀腐蚀，管筒体衬里厚度在8.2～8.7mm，处于合理范围内。气相区衬里分布不均匀的气相垢，管箱筒体衬里、封头堆焊层均为常规腐蚀，无过度腐蚀情况。封头堆焊层表面光滑平整，呈银色，焊道无明显腐蚀情况，为常规腐蚀。分布器管头出现了较为严重的腐蚀情况，出现了局部腐蚀，腐蚀部位呈黑褐色。

3 尿素高压设备的防腐措施

通过分析尿素高压设备腐蚀机理和腐蚀特点，在防腐方面需要从多个角度出发，采用综合防腐措施，这样才能够最大程度上减少高压设备的腐蚀概率。

3.1 选择适宜的设备材料

在生产尿素过程中，设备材料耐腐性是影响其防腐性的核心因素，在高压设备设计选材或改造选材中，需要重点考虑备选材料的耐腐性能，尽可能选择高性能尿素不锈钢材料，从根本上提高高压设备的耐腐蚀性。本次案例中，高压尿素接管材料采用的是316MOD材料，但在检查中发现了褐色腐蚀情况，表面较为粗糙，为均匀性腐蚀，这就代表该材料耐腐性不足，其他材料如人口平盖材料、管箱筒体等均出现了过度锈蚀情况。这就需要在材料选择中更换为高性能尿素级不锈钢材料，从最基本的材料方面提升高压设备的耐腐蚀性能，并且通过统一金属材料，可以减少不同材料的膨胀变形问题，让其腐蚀性一致，这样不仅可以提高运维效率、降低维修难度，同时还可以延长高压设备使用寿命。

3.2 严控设备生产制造

在高压设备生产制造过程中，要保证设备的生产质量达标，反复验证金属材料性能，确保金属材料防腐性能达标。在设备焊接中，严控铁素体含量，如果铁素体含量超过3%则代表不合格，同时检查是否存在焊接缺口问题。焊接工艺要达到质量标准，保证焊接位置平整光滑、无漏点、无焊点，特别是25-22-2材料焊接中，必须严格按照尿素高压设备焊接标准作业。与腐蚀介质接触的不锈钢对接缝及角焊缝（如衬里板与塔板托架的角接焊接头等）应为全焊透结构。焊接工艺评定试件晶间腐蚀情况试验中，应按照尿素高压设备腐蚀评定标准判定最终试验结果。设备衬里金属由于直接接触介质，应加强衬里的防腐保护力度，要求衬里无褶皱、划痕等，以防加快锈蚀率。

3.3 控制开停车过程

由于金属表面钝化需要与氧气发生氧化反应，因此，在开车前，可以通过加入一定量的纯氧或双氧水的方法增加内表面含氧量，起到养护膜加速生成和修复的作用，避免因钝化层缺口造成局部腐蚀，更好地起到隔绝金属表面和介质的作用，提升高压设备的防腐性能。停车封塔时，也可以通过提升系统内的氧气含量起到防腐效果，并且封塔时间尽可能不超过24h，在无特殊情况下，尽可能减少停车次数。尿素高压设备强腐蚀的特点，并结合每次大修，进行详细的内部检查。

3.4 设备运行中的防腐

由于温度会直接加速不锈钢的腐蚀速率，因此，在生产尿素过程中应严格控制整个生产系统的温度，确保系统运行温度平稳、无剧烈波动。由于系统运行温度升高会提升产品镍含量，以此作为判定系统温度控制情况。当产品尿素镍含量连续两天超过0.2ppm，如确认是高压系统腐蚀，应停车对系统重新进行钝化处理。合理提升氨碳比的氨含量、以及碳水比的水含量，避免碳元素过高加速腐蚀率，将生产系统的含氧量控制在0.6%以上，这样即可达到钝化膜修复与溶解的平衡，让金属表面不会与介质发生接触，形成稳定的氧化膜，从而提升尿素高压设备的耐腐蚀性能。

4 结语

综上所述，大型化肥尿素高压设备系统庞大，在日常运行中容易出现均匀锈蚀、局部锈蚀等情况，高压设备锈蚀不仅会影响化肥的正常生产，同时还会增加高压设备运行安全风险、安全事故，给化肥厂造成严重的经济损失。这就需要充分掌握高压设备的腐蚀机理和特点，从材料、制造、生产管理、开停车等环节强化防腐措施，保持高压设备运行稳定性、提升设备使用安全、延长设备使用寿命，保障尿素生产的综合效益。