尿素合成塔外層板裂紋的產(chǎn)生原因及對(duì)策分析

摘 要：生產(chǎn)尿素最不能缺少的設(shè)備就是尿素合成塔。然而截止到目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過數(shù)起尿素合成塔爆炸事件。其爆炸的主要原因大部分是由于外層板裂紋而造成的。文章通過對(duì)某廠尿素合成塔外壁帶有裂紋的層板樣品進(jìn)行外層板的外部檢查、尿素合成塔外層板的試驗(yàn)研究、外壁材料研究、層板的應(yīng)力研究以及外層板裂紋綜合成因研究從而得出其產(chǎn)生裂紋的原因，找尋相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。

關(guān)鍵詞：尿素合成塔；外層板裂紋；原因分析；對(duì)策研究

1 某項(xiàng)目尿素合成塔現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目中的尿素合成塔為多層包扎式結(jié)構(gòu)。型號(hào)為X2GrNiMo18143Mod的不銹鋼板是構(gòu)成其內(nèi)里的主要材料。盲層采用的是型號(hào)為15MnVRC的鋼板。內(nèi)里厚度和盲層厚度分別是9mm和7mm。在全部的14層層板中，主要使用了厚度為7mm的15MnVRC鋼板。僅有一層使用了厚度為13mm的16MnR鋼板。整臺(tái)尿素合成塔的管體由9個(gè)管節(jié)經(jīng)過深環(huán)焊縫工藝組合而成。管體內(nèi)部直徑達(dá)到1300mm。此款尿素合成塔的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為21.54 MPa和195℃。具體運(yùn)行壓力和溫度分別為19.5MPa和189℃。有關(guān)15MnVRC鋼板的化學(xué)成分以及力學(xué)性能的詳細(xì)資料，參見表1所示。

此臺(tái)尿素合成塔于2003年在該廠的相關(guān)項(xiàng)目中予以使用。在正常運(yùn)作10年之后，發(fā)現(xiàn)在第4節(jié)和第5節(jié)管節(jié)上出現(xiàn)了很多裂紋。并且因此而被廠家停用。通過相關(guān)技術(shù)人員對(duì)此尿素合成塔的內(nèi)部材料進(jìn)行細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)任何問題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無關(guān)的結(jié)論。因此需要對(duì)尿素合成塔外層板上的多處裂紋產(chǎn)生的原因展開詳細(xì)的研究。

從尿素合成塔出現(xiàn)裂紋的外層板樣品上可以看出，裂紋的紋路為分散式。裂紋嚴(yán)重的部位為深環(huán)焊縫的接口處以及周圍部分。裂紋在管體表面展現(xiàn)出的紋路與深環(huán)焊縫處呈90度角。

2 尿塔外層板的試驗(yàn)研究

通過超聲波儀器檢測(cè)了外層板出現(xiàn)裂紋部分的厚度。測(cè)試結(jié)果詳細(xì)見表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來看，15MnVRC鋼板要求GB6655-86的厚度允許存在0.5mm的誤差。由此不難看出，通過儀器測(cè)量所得出的厚度值與材料本身所要求的厚度值基本一致，處于允許誤差的范圍當(dāng)中。這表示外層板出現(xiàn)裂紋的部分厚度沒有太大問題。

3 外壁材料研究

在所有鋼材材料中，15MnVRC具有合金程度低，強(qiáng)度高的特點(diǎn)。因此也經(jīng)常會(huì)作為尿素合成塔等多種制壓力容器的外層板來被廣為應(yīng)用。然而在15MnVRC中，由于添加了Mn、V、Mn這些能夠用于分解氧氣、促進(jìn)晶格畸變的成分，從而增加了15MnVRC鋼材的強(qiáng)度和硬度。然而卻造成了柔韌性和塑造性的降低。這就給材料裂紋的產(chǎn)生埋下了伏筆。從相關(guān)數(shù)據(jù)中可以得知，一些由15MnVRC鋼材為主要材料的制壓力容器由于開裂而造成了生產(chǎn)事故的發(fā)生。所以在2005年，國(guó)家質(zhì)監(jiān)局還發(fā)布了《關(guān)于增強(qiáng)尿素合成塔質(zhì)檢工作的通知》。在通知中，特別提出了禁止將15MnVRC鋼材用于尿素合成塔的生產(chǎn)制造中。在今后將使用16MnR20R材料代替15MnVRC材料。

除此之外，值得一提的是15MnVRC的合金程度低，因此在遇到堿性溶液的時(shí)候都會(huì)引發(fā)腐蝕性反應(yīng)。在溫度越高、堿性溶液濃度越高的時(shí)候，15MnVRC引發(fā)的腐蝕性反應(yīng)就越為強(qiáng)烈，極易造成堿脆的產(chǎn)生。

4 外層板的應(yīng)力研究

多層包扎是工業(yè)設(shè)備行業(yè)中被廣為認(rèn)可的一種結(jié)構(gòu)形式。其具有使用程度高、安全性高等特點(diǎn)。因此也經(jīng)常被用于尿素合成塔中。多層包扎式結(jié)構(gòu)是將內(nèi)管與外管緊密地裹在一起，內(nèi)管與外管之間擁有一定的壓應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)管與外管完成包扎之后，內(nèi)管承受壓縮預(yù)應(yīng)力效果，而外管受拉伸預(yù)應(yīng)力效果。然而當(dāng)尿素合成塔中出現(xiàn)高壓時(shí)，整個(gè)管道內(nèi)壁的應(yīng)力情況將會(huì)造成改變。隨著尿毒合成塔內(nèi)部溫度的不斷增加，還出產(chǎn)生想要的熱應(yīng)力。除此之外，在深環(huán)焊縫部位由于不具有熱處理的能力，因此也會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)應(yīng)力。在這個(gè)時(shí)候，外層板就會(huì)被多個(gè)累積應(yīng)力所作用。

5 外層板裂紋綜合成因研究

外層板表面的裂紋明顯，具體表現(xiàn)為分散式開裂。從裂紋開裂的方式來看，其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過斷口電鏡掃檢查得出的數(shù)據(jù)表明，斷口出現(xiàn)了雙重開裂。通過對(duì)尿素塔蒸汽的純度進(jìn)行研究，得出能夠?qū)?5MnVRC造成腐蝕性的離子濃度含量不高，不會(huì)對(duì)15MnVRC造成嚴(yán)重的腐蝕。然而在檢查換熱器時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了換熱器存在泄漏，并證明其已經(jīng)被污染的結(jié)論。除此之外，還發(fā)現(xiàn)保溫層也出現(xiàn)了一定的隱患。運(yùn)行壓力、熱應(yīng)力以及深環(huán)焊縫部位的應(yīng)力進(jìn)行累積之后，也會(huì)給外層板造成一定的影響。

總的來說，該廠的尿素合成塔外層板開裂主要是由于整體中存在具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)、熱換器的泄漏污染、保溫層的老化以及各種對(duì)外層板累積的應(yīng)力所共同造成的結(jié)果。預(yù)防措施如下：

（1）經(jīng)過對(duì)該廠因外層板開裂而停用的尿素合成塔進(jìn)行全面細(xì)致的研究檢查后得知，該廠沒有將尿素合成塔外部的保溫層及時(shí)拆掉，這讓外部保溫層始終覆蓋于尿素合成塔表面，影響了設(shè)備檢查部門對(duì)尿素合成塔外層板的及時(shí)檢查。因此該廠在今后一定要增強(qiáng)對(duì)尿素合成塔表面的關(guān)注。制定相應(yīng)的檢查計(jì)劃，提高對(duì)外層板檢查工作的力度。保證檢查部門能夠定量定時(shí)地對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。

（2）嚴(yán)格記錄每一次對(duì)尿素合成塔進(jìn)行檢查時(shí)的情況和數(shù)據(jù)。并且對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部分都要進(jìn)行詳細(xì)的檢查。拆除設(shè)備上不必要的部分，如外部保溫層等。

（3）堅(jiān)決避免通過氨滲漏的方式對(duì)外層板展開檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來完成此項(xiàng)檢漏工作。

（4）在使用尿素合成塔的過程中，一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的設(shè)備使用和維護(hù)時(shí)間，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行徹底地雜質(zhì)清掃，保證塔內(nèi)的整潔度。在啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，一定要控制好設(shè)備的增溫程度，切忌不能出現(xiàn)迅速增溫的情況發(fā)生。因?yàn)樵谘杆僭鰷氐臅r(shí)候會(huì)增加外層的受應(yīng)力。如果在氣溫較低的情況下使用設(shè)備，更應(yīng)該遵守相應(yīng)的使用規(guī)定，保證尿素合成塔安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

（5）嚴(yán)控火源火種的出現(xiàn)。通過使用降氧式、增氨式以及脫氫式來消除氣體爆炸隱患。采用降氧式就是降低增氧的含量，增氧量不可超過0.49%。這是防止造成氣體爆炸的最有效的方式之一。由于在尿素合成塔中，主要能夠支持燃燒的氣體就是氨和氫氧。在同一范圍內(nèi)，氫氧的爆炸程度遠(yuǎn)高于氨。因此通過增加氨在混合氣體中的比例，可以起到很好的防爆作用。另外，二氧化碳是造成氫產(chǎn)生的最主要的原料。而氫對(duì)于尿素的合成毫無作用。所以可以利用脫氫設(shè)備將二氧化碳中的所有氫進(jìn)行去除，從而降低爆炸的發(fā)生。

（6）增加管節(jié)之間的焊接深度，防止腐蝕物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行作用。

6 結(jié)束語

尿素合成塔是生產(chǎn)尿素不可缺少的設(shè)備。在尿素合成塔內(nèi)部具有承擔(dān)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)。然而如果內(nèi)里部分出現(xiàn)泄漏，由內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)對(duì)外層板進(jìn)行腐蝕或者外層板出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫的時(shí)候，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)就會(huì)穿透管壁，引發(fā)爆炸。不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都曾發(fā)生過尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來說，一定要重視尿素合成塔外層板情況。

參考文獻(xiàn)

[1]宋明大，土威強(qiáng)，趙亞風(fēng)，等.多層包扎尿素介成塔應(yīng)力狀況分析[J]機(jī)械強(qiáng)度，2008（1）： 5-6

[2]陳才金，宋炳華，向晨.金屬應(yīng)力腐蝕開裂研究的進(jìn)展[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

[3]土威強(qiáng)，李夢(mèng)麗，徐書根，等.尿素介成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開裂原因分析[J]金屬熱處理，2007（S1）：80-82

[4]呂延茂.Φ1.4m尿素合成塔基體應(yīng)力腐蝕裂紋分析[C].全國(guó)中氮情報(bào)協(xié)作組第24次技術(shù)交流會(huì)論文集，北京：中氮肥，2006：48-51.

作者簡(jiǎn)介：龍帆（1983-），男，漢族，本科生，四川瀘州，工作單位：寧夏捷美豐友化工有限公司，研究方向：化工機(jī)械技術(shù)管理。endprint

摘 要：生產(chǎn)尿素最不能缺少的設(shè)備就是尿素合成塔。然而截止到目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過數(shù)起尿素合成塔爆炸事件。其爆炸的主要原因大部分是由于外層板裂紋而造成的。文章通過對(duì)某廠尿素合成塔外壁帶有裂紋的層板樣品進(jìn)行外層板的外部檢查、尿素合成塔外層板的試驗(yàn)研究、外壁材料研究、層板的應(yīng)力研究以及外層板裂紋綜合成因研究從而得出其產(chǎn)生裂紋的原因，找尋相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。

關(guān)鍵詞：尿素合成塔；外層板裂紋；原因分析；對(duì)策研究

1 某項(xiàng)目尿素合成塔現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目中的尿素合成塔為多層包扎式結(jié)構(gòu)。型號(hào)為X2GrNiMo18143Mod的不銹鋼板是構(gòu)成其內(nèi)里的主要材料。盲層采用的是型號(hào)為15MnVRC的鋼板。內(nèi)里厚度和盲層厚度分別是9mm和7mm。在全部的14層層板中，主要使用了厚度為7mm的15MnVRC鋼板。僅有一層使用了厚度為13mm的16MnR鋼板。整臺(tái)尿素合成塔的管體由9個(gè)管節(jié)經(jīng)過深環(huán)焊縫工藝組合而成。管體內(nèi)部直徑達(dá)到1300mm。此款尿素合成塔的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為21.54 MPa和195℃。具體運(yùn)行壓力和溫度分別為19.5MPa和189℃。有關(guān)15MnVRC鋼板的化學(xué)成分以及力學(xué)性能的詳細(xì)資料，參見表1所示。

此臺(tái)尿素合成塔于2003年在該廠的相關(guān)項(xiàng)目中予以使用。在正常運(yùn)作10年之后，發(fā)現(xiàn)在第4節(jié)和第5節(jié)管節(jié)上出現(xiàn)了很多裂紋。并且因此而被廠家停用。通過相關(guān)技術(shù)人員對(duì)此尿素合成塔的內(nèi)部材料進(jìn)行細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)任何問題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無關(guān)的結(jié)論。因此需要對(duì)尿素合成塔外層板上的多處裂紋產(chǎn)生的原因展開詳細(xì)的研究。

從尿素合成塔出現(xiàn)裂紋的外層板樣品上可以看出，裂紋的紋路為分散式。裂紋嚴(yán)重的部位為深環(huán)焊縫的接口處以及周圍部分。裂紋在管體表面展現(xiàn)出的紋路與深環(huán)焊縫處呈90度角。

2 尿塔外層板的試驗(yàn)研究

通過超聲波儀器檢測(cè)了外層板出現(xiàn)裂紋部分的厚度。測(cè)試結(jié)果詳細(xì)見表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來看，15MnVRC鋼板要求GB6655-86的厚度允許存在0.5mm的誤差。由此不難看出，通過儀器測(cè)量所得出的厚度值與材料本身所要求的厚度值基本一致，處于允許誤差的范圍當(dāng)中。這表示外層板出現(xiàn)裂紋的部分厚度沒有太大問題。

3 外壁材料研究

在所有鋼材材料中，15MnVRC具有合金程度低，強(qiáng)度高的特點(diǎn)。因此也經(jīng)常會(huì)作為尿素合成塔等多種制壓力容器的外層板來被廣為應(yīng)用。然而在15MnVRC中，由于添加了Mn、V、Mn這些能夠用于分解氧氣、促進(jìn)晶格畸變的成分，從而增加了15MnVRC鋼材的強(qiáng)度和硬度。然而卻造成了柔韌性和塑造性的降低。這就給材料裂紋的產(chǎn)生埋下了伏筆。從相關(guān)數(shù)據(jù)中可以得知，一些由15MnVRC鋼材為主要材料的制壓力容器由于開裂而造成了生產(chǎn)事故的發(fā)生。所以在2005年，國(guó)家質(zhì)監(jiān)局還發(fā)布了《關(guān)于增強(qiáng)尿素合成塔質(zhì)檢工作的通知》。在通知中，特別提出了禁止將15MnVRC鋼材用于尿素合成塔的生產(chǎn)制造中。在今后將使用16MnR20R材料代替15MnVRC材料。

除此之外，值得一提的是15MnVRC的合金程度低，因此在遇到堿性溶液的時(shí)候都會(huì)引發(fā)腐蝕性反應(yīng)。在溫度越高、堿性溶液濃度越高的時(shí)候，15MnVRC引發(fā)的腐蝕性反應(yīng)就越為強(qiáng)烈，極易造成堿脆的產(chǎn)生。

4 外層板的應(yīng)力研究

多層包扎是工業(yè)設(shè)備行業(yè)中被廣為認(rèn)可的一種結(jié)構(gòu)形式。其具有使用程度高、安全性高等特點(diǎn)。因此也經(jīng)常被用于尿素合成塔中。多層包扎式結(jié)構(gòu)是將內(nèi)管與外管緊密地裹在一起，內(nèi)管與外管之間擁有一定的壓應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)管與外管完成包扎之后，內(nèi)管承受壓縮預(yù)應(yīng)力效果，而外管受拉伸預(yù)應(yīng)力效果。然而當(dāng)尿素合成塔中出現(xiàn)高壓時(shí)，整個(gè)管道內(nèi)壁的應(yīng)力情況將會(huì)造成改變。隨著尿毒合成塔內(nèi)部溫度的不斷增加，還出產(chǎn)生想要的熱應(yīng)力。除此之外，在深環(huán)焊縫部位由于不具有熱處理的能力，因此也會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)應(yīng)力。在這個(gè)時(shí)候，外層板就會(huì)被多個(gè)累積應(yīng)力所作用。

5 外層板裂紋綜合成因研究

外層板表面的裂紋明顯，具體表現(xiàn)為分散式開裂。從裂紋開裂的方式來看，其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過斷口電鏡掃檢查得出的數(shù)據(jù)表明，斷口出現(xiàn)了雙重開裂。通過對(duì)尿素塔蒸汽的純度進(jìn)行研究，得出能夠?qū)?5MnVRC造成腐蝕性的離子濃度含量不高，不會(huì)對(duì)15MnVRC造成嚴(yán)重的腐蝕。然而在檢查換熱器時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了換熱器存在泄漏，并證明其已經(jīng)被污染的結(jié)論。除此之外，還發(fā)現(xiàn)保溫層也出現(xiàn)了一定的隱患。運(yùn)行壓力、熱應(yīng)力以及深環(huán)焊縫部位的應(yīng)力進(jìn)行累積之后，也會(huì)給外層板造成一定的影響。

總的來說，該廠的尿素合成塔外層板開裂主要是由于整體中存在具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)、熱換器的泄漏污染、保溫層的老化以及各種對(duì)外層板累積的應(yīng)力所共同造成的結(jié)果。預(yù)防措施如下：

（1）經(jīng)過對(duì)該廠因外層板開裂而停用的尿素合成塔進(jìn)行全面細(xì)致的研究檢查后得知，該廠沒有將尿素合成塔外部的保溫層及時(shí)拆掉，這讓外部保溫層始終覆蓋于尿素合成塔表面，影響了設(shè)備檢查部門對(duì)尿素合成塔外層板的及時(shí)檢查。因此該廠在今后一定要增強(qiáng)對(duì)尿素合成塔表面的關(guān)注。制定相應(yīng)的檢查計(jì)劃，提高對(duì)外層板檢查工作的力度。保證檢查部門能夠定量定時(shí)地對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。

（2）嚴(yán)格記錄每一次對(duì)尿素合成塔進(jìn)行檢查時(shí)的情況和數(shù)據(jù)。并且對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部分都要進(jìn)行詳細(xì)的檢查。拆除設(shè)備上不必要的部分，如外部保溫層等。

（3）堅(jiān)決避免通過氨滲漏的方式對(duì)外層板展開檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來完成此項(xiàng)檢漏工作。

（4）在使用尿素合成塔的過程中，一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的設(shè)備使用和維護(hù)時(shí)間，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行徹底地雜質(zhì)清掃，保證塔內(nèi)的整潔度。在啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，一定要控制好設(shè)備的增溫程度，切忌不能出現(xiàn)迅速增溫的情況發(fā)生。因?yàn)樵谘杆僭鰷氐臅r(shí)候會(huì)增加外層的受應(yīng)力。如果在氣溫較低的情況下使用設(shè)備，更應(yīng)該遵守相應(yīng)的使用規(guī)定，保證尿素合成塔安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

（5）嚴(yán)控火源火種的出現(xiàn)。通過使用降氧式、增氨式以及脫氫式來消除氣體爆炸隱患。采用降氧式就是降低增氧的含量，增氧量不可超過0.49%。這是防止造成氣體爆炸的最有效的方式之一。由于在尿素合成塔中，主要能夠支持燃燒的氣體就是氨和氫氧。在同一范圍內(nèi)，氫氧的爆炸程度遠(yuǎn)高于氨。因此通過增加氨在混合氣體中的比例，可以起到很好的防爆作用。另外，二氧化碳是造成氫產(chǎn)生的最主要的原料。而氫對(duì)于尿素的合成毫無作用。所以可以利用脫氫設(shè)備將二氧化碳中的所有氫進(jìn)行去除，從而降低爆炸的發(fā)生。

（6）增加管節(jié)之間的焊接深度，防止腐蝕物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行作用。

6 結(jié)束語

尿素合成塔是生產(chǎn)尿素不可缺少的設(shè)備。在尿素合成塔內(nèi)部具有承擔(dān)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)。然而如果內(nèi)里部分出現(xiàn)泄漏，由內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)對(duì)外層板進(jìn)行腐蝕或者外層板出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫的時(shí)候，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)就會(huì)穿透管壁，引發(fā)爆炸。不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都曾發(fā)生過尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來說，一定要重視尿素合成塔外層板情況。

參考文獻(xiàn)

[1]宋明大，土威強(qiáng)，趙亞風(fēng)，等.多層包扎尿素介成塔應(yīng)力狀況分析[J]機(jī)械強(qiáng)度，2008（1）： 5-6

[2]陳才金，宋炳華，向晨.金屬應(yīng)力腐蝕開裂研究的進(jìn)展[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

[3]土威強(qiáng)，李夢(mèng)麗，徐書根，等.尿素介成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開裂原因分析[J]金屬熱處理，2007（S1）：80-82

[4]呂延茂.Φ1.4m尿素合成塔基體應(yīng)力腐蝕裂紋分析[C].全國(guó)中氮情報(bào)協(xié)作組第24次技術(shù)交流會(huì)論文集，北京：中氮肥，2006：48-51.

作者簡(jiǎn)介：龍帆（1983-），男，漢族，本科生，四川瀘州，工作單位：寧夏捷美豐友化工有限公司，研究方向：化工機(jī)械技術(shù)管理。endprint

摘 要：生產(chǎn)尿素最不能缺少的設(shè)備就是尿素合成塔。然而截止到目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過數(shù)起尿素合成塔爆炸事件。其爆炸的主要原因大部分是由于外層板裂紋而造成的。文章通過對(duì)某廠尿素合成塔外壁帶有裂紋的層板樣品進(jìn)行外層板的外部檢查、尿素合成塔外層板的試驗(yàn)研究、外壁材料研究、層板的應(yīng)力研究以及外層板裂紋綜合成因研究從而得出其產(chǎn)生裂紋的原因，找尋相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策。

關(guān)鍵詞：尿素合成塔；外層板裂紋；原因分析；對(duì)策研究

1 某項(xiàng)目尿素合成塔現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目中的尿素合成塔為多層包扎式結(jié)構(gòu)。型號(hào)為X2GrNiMo18143Mod的不銹鋼板是構(gòu)成其內(nèi)里的主要材料。盲層采用的是型號(hào)為15MnVRC的鋼板。內(nèi)里厚度和盲層厚度分別是9mm和7mm。在全部的14層層板中，主要使用了厚度為7mm的15MnVRC鋼板。僅有一層使用了厚度為13mm的16MnR鋼板。整臺(tái)尿素合成塔的管體由9個(gè)管節(jié)經(jīng)過深環(huán)焊縫工藝組合而成。管體內(nèi)部直徑達(dá)到1300mm。此款尿素合成塔的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為21.54 MPa和195℃。具體運(yùn)行壓力和溫度分別為19.5MPa和189℃。有關(guān)15MnVRC鋼板的化學(xué)成分以及力學(xué)性能的詳細(xì)資料，參見表1所示。

此臺(tái)尿素合成塔于2003年在該廠的相關(guān)項(xiàng)目中予以使用。在正常運(yùn)作10年之后，發(fā)現(xiàn)在第4節(jié)和第5節(jié)管節(jié)上出現(xiàn)了很多裂紋。并且因此而被廠家停用。通過相關(guān)技術(shù)人員對(duì)此尿素合成塔的內(nèi)部材料進(jìn)行細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)任何問題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無關(guān)的結(jié)論。因此需要對(duì)尿素合成塔外層板上的多處裂紋產(chǎn)生的原因展開詳細(xì)的研究。

從尿素合成塔出現(xiàn)裂紋的外層板樣品上可以看出，裂紋的紋路為分散式。裂紋嚴(yán)重的部位為深環(huán)焊縫的接口處以及周圍部分。裂紋在管體表面展現(xiàn)出的紋路與深環(huán)焊縫處呈90度角。

2 尿塔外層板的試驗(yàn)研究

通過超聲波儀器檢測(cè)了外層板出現(xiàn)裂紋部分的厚度。測(cè)試結(jié)果詳細(xì)見表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來看，15MnVRC鋼板要求GB6655-86的厚度允許存在0.5mm的誤差。由此不難看出，通過儀器測(cè)量所得出的厚度值與材料本身所要求的厚度值基本一致，處于允許誤差的范圍當(dāng)中。這表示外層板出現(xiàn)裂紋的部分厚度沒有太大問題。

3 外壁材料研究

在所有鋼材材料中，15MnVRC具有合金程度低，強(qiáng)度高的特點(diǎn)。因此也經(jīng)常會(huì)作為尿素合成塔等多種制壓力容器的外層板來被廣為應(yīng)用。然而在15MnVRC中，由于添加了Mn、V、Mn這些能夠用于分解氧氣、促進(jìn)晶格畸變的成分，從而增加了15MnVRC鋼材的強(qiáng)度和硬度。然而卻造成了柔韌性和塑造性的降低。這就給材料裂紋的產(chǎn)生埋下了伏筆。從相關(guān)數(shù)據(jù)中可以得知，一些由15MnVRC鋼材為主要材料的制壓力容器由于開裂而造成了生產(chǎn)事故的發(fā)生。所以在2005年，國(guó)家質(zhì)監(jiān)局還發(fā)布了《關(guān)于增強(qiáng)尿素合成塔質(zhì)檢工作的通知》。在通知中，特別提出了禁止將15MnVRC鋼材用于尿素合成塔的生產(chǎn)制造中。在今后將使用16MnR20R材料代替15MnVRC材料。

除此之外，值得一提的是15MnVRC的合金程度低，因此在遇到堿性溶液的時(shí)候都會(huì)引發(fā)腐蝕性反應(yīng)。在溫度越高、堿性溶液濃度越高的時(shí)候，15MnVRC引發(fā)的腐蝕性反應(yīng)就越為強(qiáng)烈，極易造成堿脆的產(chǎn)生。

4 外層板的應(yīng)力研究

多層包扎是工業(yè)設(shè)備行業(yè)中被廣為認(rèn)可的一種結(jié)構(gòu)形式。其具有使用程度高、安全性高等特點(diǎn)。因此也經(jīng)常被用于尿素合成塔中。多層包扎式結(jié)構(gòu)是將內(nèi)管與外管緊密地裹在一起，內(nèi)管與外管之間擁有一定的壓應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)管與外管完成包扎之后，內(nèi)管承受壓縮預(yù)應(yīng)力效果，而外管受拉伸預(yù)應(yīng)力效果。然而當(dāng)尿素合成塔中出現(xiàn)高壓時(shí)，整個(gè)管道內(nèi)壁的應(yīng)力情況將會(huì)造成改變。隨著尿毒合成塔內(nèi)部溫度的不斷增加，還出產(chǎn)生想要的熱應(yīng)力。除此之外，在深環(huán)焊縫部位由于不具有熱處理的能力，因此也會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)應(yīng)力。在這個(gè)時(shí)候，外層板就會(huì)被多個(gè)累積應(yīng)力所作用。

5 外層板裂紋綜合成因研究

外層板表面的裂紋明顯，具體表現(xiàn)為分散式開裂。從裂紋開裂的方式來看，其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過斷口電鏡掃檢查得出的數(shù)據(jù)表明，斷口出現(xiàn)了雙重開裂。通過對(duì)尿素塔蒸汽的純度進(jìn)行研究，得出能夠?qū)?5MnVRC造成腐蝕性的離子濃度含量不高，不會(huì)對(duì)15MnVRC造成嚴(yán)重的腐蝕。然而在檢查換熱器時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了換熱器存在泄漏，并證明其已經(jīng)被污染的結(jié)論。除此之外，還發(fā)現(xiàn)保溫層也出現(xiàn)了一定的隱患。運(yùn)行壓力、熱應(yīng)力以及深環(huán)焊縫部位的應(yīng)力進(jìn)行累積之后，也會(huì)給外層板造成一定的影響。

總的來說，該廠的尿素合成塔外層板開裂主要是由于整體中存在具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)、熱換器的泄漏污染、保溫層的老化以及各種對(duì)外層板累積的應(yīng)力所共同造成的結(jié)果。預(yù)防措施如下：

（1）經(jīng)過對(duì)該廠因外層板開裂而停用的尿素合成塔進(jìn)行全面細(xì)致的研究檢查后得知，該廠沒有將尿素合成塔外部的保溫層及時(shí)拆掉，這讓外部保溫層始終覆蓋于尿素合成塔表面，影響了設(shè)備檢查部門對(duì)尿素合成塔外層板的及時(shí)檢查。因此該廠在今后一定要增強(qiáng)對(duì)尿素合成塔表面的關(guān)注。制定相應(yīng)的檢查計(jì)劃，提高對(duì)外層板檢查工作的力度。保證檢查部門能夠定量定時(shí)地對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。

（2）嚴(yán)格記錄每一次對(duì)尿素合成塔進(jìn)行檢查時(shí)的情況和數(shù)據(jù)。并且對(duì)尿素合成塔的內(nèi)外部分都要進(jìn)行詳細(xì)的檢查。拆除設(shè)備上不必要的部分，如外部保溫層等。

（3）堅(jiān)決避免通過氨滲漏的方式對(duì)外層板展開檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來完成此項(xiàng)檢漏工作。

（4）在使用尿素合成塔的過程中，一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的設(shè)備使用和維護(hù)時(shí)間，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行徹底地雜質(zhì)清掃，保證塔內(nèi)的整潔度。在啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，一定要控制好設(shè)備的增溫程度，切忌不能出現(xiàn)迅速增溫的情況發(fā)生。因?yàn)樵谘杆僭鰷氐臅r(shí)候會(huì)增加外層的受應(yīng)力。如果在氣溫較低的情況下使用設(shè)備，更應(yīng)該遵守相應(yīng)的使用規(guī)定，保證尿素合成塔安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

（5）嚴(yán)控火源火種的出現(xiàn)。通過使用降氧式、增氨式以及脫氫式來消除氣體爆炸隱患。采用降氧式就是降低增氧的含量，增氧量不可超過0.49%。這是防止造成氣體爆炸的最有效的方式之一。由于在尿素合成塔中，主要能夠支持燃燒的氣體就是氨和氫氧。在同一范圍內(nèi)，氫氧的爆炸程度遠(yuǎn)高于氨。因此通過增加氨在混合氣體中的比例，可以起到很好的防爆作用。另外，二氧化碳是造成氫產(chǎn)生的最主要的原料。而氫對(duì)于尿素的合成毫無作用。所以可以利用脫氫設(shè)備將二氧化碳中的所有氫進(jìn)行去除，從而降低爆炸的發(fā)生。

（6）增加管節(jié)之間的焊接深度，防止腐蝕物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行作用。

6 結(jié)束語

尿素合成塔是生產(chǎn)尿素不可缺少的設(shè)備。在尿素合成塔內(nèi)部具有承擔(dān)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)。然而如果內(nèi)里部分出現(xiàn)泄漏，由內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)對(duì)外層板進(jìn)行腐蝕或者外層板出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫的時(shí)候，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)就會(huì)穿透管壁，引發(fā)爆炸。不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都曾發(fā)生過尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來說，一定要重視尿素合成塔外層板情況。

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作者簡(jiǎn)介：龍帆（1983-），男，漢族，本科生，四川瀘州，工作單位：寧夏捷美豐友化工有限公司，研究方向：化工機(jī)械技術(shù)管理。endprint