尿素裝置中壓分解器換熱管泄漏原因分析及對策

李輝 陳兵（西安石油大學，陜西 西安 710065）

1 概述

中國石油塔里木油田石化分公司2640t/d尿素裝置采用意大利SNAM氨汽提工藝流程，是國內(nèi)目前陸上最大的單套尿素生產(chǎn)裝置。中壓分離器（V102）、中壓分解器（E102A/B）、中壓分解器液位槽（L102）是三合一設(shè)備，共有1446根換熱管，由國內(nèi)制造。2010年5月19日投料試車，至2011年4月發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)漏，嚴重影響裝置正常生產(chǎn)，被迫停車檢修。

2 事故現(xiàn)象描述

2010年5月19日，塔里木石化分公司大化肥項目順利投產(chǎn)，自2010年8月開始，尿素產(chǎn)品鎳含量檢測偶爾發(fā)現(xiàn)鎳含量超標現(xiàn)象。

在2011年8月2日，由于發(fā)現(xiàn)E102換熱管漏，裝置被迫停車檢修，E102B解體檢查，發(fā)現(xiàn)下管板有6根換熱管堵塞并且換熱管被腐蝕殘渣堵塞較多（見圖1），對堵塞物進行清理后，安排檢測單位進行內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)部分換熱管已腐蝕破裂（見圖2），對全部1446根換熱管內(nèi)窺鏡檢查后，共發(fā)現(xiàn)36根換熱管腐蝕破裂。

之后從E102B底部進行渦流缺陷檢驗，發(fā)現(xiàn)腐蝕破裂的、外部缺陷達C/D級（C級，外部損傷達壁厚的60%-80%；D級，外部損傷達壁厚的80%-100%）、剩余平均壁厚≤1.25mm及內(nèi)部有缺陷的換熱管共242根，占總管數(shù)1446的16.74%。對這些換熱管實施堵管處理后，對E102B進行水壓試驗，發(fā)現(xiàn)E102A的壓力也上升，說明A和B共用的換熱管有貫通傷，持續(xù)試驗，壓力1.8MPa，穩(wěn)壓30分鐘，未發(fā)現(xiàn)滲漏。開車后，負荷逐漸加滿，運行正常。

201 1年1 2月6日，發(fā)現(xiàn)V110蒸汽冷凝液電導開始上升，最大時達到400 uS/cm。為了保證連續(xù)生產(chǎn)，外接管線將E102B換熱后的蒸汽冷凝液直接外排，去V110蒸汽冷凝液電導下降為30 uS/cm。

201 1年1 2月28日，為了避免設(shè)備的嚴重腐蝕，E102再次解體檢查，進行了1204根換熱管的渦流檢驗，發(fā)現(xiàn)又有換熱管破裂，最終對腐蝕破裂的、外部缺陷達C/D級、剩余平均壁厚≤1.45mm及內(nèi)部有缺陷的換熱管共126根進行了堵管處理，現(xiàn)共堵管368根，占總管數(shù)1446的25.45%。開車后至今無泄漏，但由于堵管太多，裝置運行負荷91%。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及制造特點、難點

E102A/B為整體換熱器，為上下兩部分，有1446根換熱管，規(guī)格為Ф38*2.5*9000，材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2，由中間雙層管板分開，管板為16Mn三級鍛件，厚度85mm。雙層管板與換熱管采用強度脹接密封，保證密封性能和抗拉脫強度。由于E102A殼側(cè)用0.55MPa、155℃的低壓蒸汽對介質(zhì)加熱，而E102B殼側(cè)用2.17MPa、219℃的蒸汽冷凝液對介質(zhì)加熱，A和B加熱介質(zhì)的壓差較大，中間管板的密封性至關(guān)重要，如密封不佳，將導致加熱介質(zhì)由壓力高端向壓力低端泄漏，影響正常工藝操作。這也是該設(shè)備的制造難點。

4 原因分析

4.1 換熱管材質(zhì)

按照專利商意大利SNAM公司的工藝包文件要求，該設(shè)備換熱管材質(zhì)為316L不銹鋼（相當于國內(nèi)不銹鋼00Cr17Ni14Mo2），專利商同時要求該換熱管化學成份必須保證以下最小含量：Cr17%，Ni12.5%，Mo2.5%，但由于設(shè)計院的設(shè)計圖紙沒有注明換熱管材質(zhì)的上述要求，只說明材料為00Cr17Ni14Mo2，制造商按照圖紙要求采購材料，質(zhì)量證明書上顯示，該批換熱管主要化學成分為：Cr16.4%，Ni12.1%，Mo2.06%，雖然符合《GB/T12771-2000流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》的要求，但沒有滿足專利商對材質(zhì)的要求。

4.2 試車過程存在超溫現(xiàn)象

由于新員工開新裝置，處于磨合期，加上員工實習主要在CO2汽提法的裝置（沒有中壓分解器），對中壓設(shè)備的操作不熟悉，導致試車過程存在超溫現(xiàn)象,尤其是裝置開停車過程。如曾經(jīng)一次停車期間L102岀液溫度數(shù)小時達170℃以上（見圖3）。

介質(zhì)溫度對設(shè)備腐蝕的影響十分明顯，由于溫度的升高可以增加活化態(tài)和鈍化態(tài)的腐蝕速度，使不銹鋼的鈍化區(qū)變窄，加速了材質(zhì)的活化，提高了設(shè)備的腐蝕速率。

在165℃以下時，溫度變化對不銹鋼腐蝕的影響較小。但溫度在165—200℃時，腐蝕速率將增加3—4倍。操作溫度對設(shè)備腐蝕影響很大，當操作溫度超過設(shè)計溫度，即使只有1——2℃，設(shè)備的腐蝕增加也非常明顯。

當設(shè)備處于正常狀態(tài)時，生產(chǎn)出的尿素呈白色半透明狀。如果設(shè)備發(fā)生腐蝕，尿素顏色會根據(jù)腐蝕程度不同由不同的變化。設(shè)備腐蝕越嚴重，尿素顏色越深，其變化趨勢為：白色→淺黃色→紅棕色→棕褐色。2010年8月，有一段時間生產(chǎn)出的尿素為淺黃色和紅棕色，說明有設(shè)備的鈍化膜已被破壞或根本無法形成鈍化膜，設(shè)備完全處于活化加速腐蝕狀態(tài)。當時尿素產(chǎn)品Ni含量達0.8ppm，及時安排化驗按照流程分段取樣分析，結(jié)果如下：尿素合成塔0.09ppm，汽提塔0.09ppm，中壓分解器0.68ppm，低壓分解器0.73ppm，產(chǎn)品尿素0.8ppm。排除尿液被不斷提濃的影響，說明中壓分解器處于加倍腐蝕狀態(tài)。

4.3 制造缺陷

在設(shè)備制造過程中，制造廠曾反映該設(shè)備中間管板脹管后一試壓就漏，派技術(shù)人員會同設(shè)計院主要容器設(shè)計人員去制造廠，最后借助工業(yè)內(nèi)窺鏡發(fā)現(xiàn)1446根換熱管中有2根漏脹、13根管未滿脹，經(jīng)過補脹后試壓合格。但本應一次脹接成型就保證不漏，被制造廠脹了6遍，導致?lián)Q熱管過脹處壁厚嚴重減薄，強度大為減弱，在腐蝕環(huán)境下更易泄漏。從堵漏后試壓發(fā)現(xiàn)E102A/B導通來分析，極可能是中間管板脹接處出現(xiàn)破裂。

4.4 換熱管堵塞影響

解體檢查時發(fā)現(xiàn)6根換熱管被堵塞，對堵塞物進行分析化驗后確認是氨合成塔觸媒灰與腐蝕金屬物的混合物，該6根換熱管用內(nèi)窺鏡檢查全部破裂（可以看見相鄰的換熱管）。由于尿液被封閉在換熱管內(nèi)，鈍化空氣大量逸出，鈍化膜破壞嚴重，被殼側(cè)219℃的蒸汽冷凝液持續(xù)加熱，導致腐蝕加劇，最先破裂。

而該管破裂泄漏后，腐蝕介質(zhì)對相鄰換熱管外壁形成腐蝕環(huán)境，同時殼側(cè)溫度較高，導致相鄰管腐蝕速率加快（見圖4），可見相鄰換熱管外壁已被腐蝕得極不光滑。

4.5 沖刷的影響

由于E102B殼側(cè)蒸汽冷凝液入口沒有設(shè)計防沖板，2.17MPa的蒸汽冷凝液直接沖擊著靠近入口的換熱管，使換熱管劇烈振動，導致?lián)Q熱管穿過折流板處高頻振蕩，也會加快換熱管腐蝕。從檢測單位出具的渦流檢測需堵管分布圖來看，蒸汽冷凝液入口大量換熱管需要堵管。

5 對策措施

5.1 鑒于E102A/B堵管過多，嚴重影響裝置負荷，現(xiàn)全裝置負荷為91%，不能滿負荷運行?，F(xiàn)已選擇國內(nèi)著名壓力容器制造商重新制造新的設(shè)備，針對分析出的原因，與設(shè)計院充分溝通，新造設(shè)備采取了以下改進；

5.1.1 按專利商SNAM要求，將原316L換熱管換為比專利商要求還高的316L mod材質(zhì)，提高材料的防腐蝕能力。

5.1.2 在E102B的蒸汽冷凝液入口增設(shè)防沖板，確保高溫冷凝液進入時不對換熱管形成強烈沖擊。

5.1.3 在管板增設(shè)排水導淋，避免冬季停車時由于殼體內(nèi)積液排不干凈導致設(shè)備凍壞。

5.1.4 嚴格監(jiān)督設(shè)備制造質(zhì)量，選擇國內(nèi)最好的合肥通用所派設(shè)備監(jiān)造人員駐廠監(jiān)造，同時設(shè)置了換熱管材料到貨驗收、換熱管與管板脹接、換熱管與管板焊接及水壓試驗四個停檢點，確保每道工序質(zhì)量。重點控制脹接效果，保證以便成型。

5.2 優(yōu)化工藝操作，加強指標考核。嚴格控制系統(tǒng)氧含量同時堅決避免E102的超溫現(xiàn)象，尤其是在開停車期間，措施如下：

5.2.1 開車時按操作規(guī)程及時投用C02壓縮機K101入口鈍化空氣并投用鈍化空氣壓縮K102，確保第一時間提供充足的氧氣形成鈍化膜。

5.2.2 正常生產(chǎn)時，穩(wěn)定汽提塔出料量，嚴格控制L102出液溫度在設(shè)定值160℃以下，液位在40%-50%之間，防止長時間滿液，造成換熱管浸泡在高溫尿液中，加劇腐蝕。

5.2.3 封塔停車后，盡量將L102液位降至最低，同時打開中壓平衡管線防止尿液從C101倒壓回V102。若封塔時間較長，應從汽提塔E101出液管線處加水對V102進行走水稀釋清洗。

5.2.4 通過將V109來蒸汽冷凝液切至跨線、關(guān)閉增加蒸汽閥門TV1021等方法第一時間隔離E102A/B的加熱源，防止對E102A/B中不流動的無氧尿液持續(xù)加熱造成超高溫度引起腐蝕加劇現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5.2.5 堅持和重點進行氧含量與鎳含量常規(guī)分析，對設(shè)備的狀態(tài)變化做到第一時間了解掌握。

5.2.6 責任工程師組織相關(guān)崗位人員進行操作培訓，使操作人員了解工藝超溫對設(shè)備的危害的嚴重性，統(tǒng)一共識。同時對相關(guān)操作指標實行嚴格考核。

6 效果驗證

201 2年8 月新設(shè)備更換后，運行至今，再沒有發(fā)生過尿素產(chǎn)品鎳含量超標的情況，2014年檢修期間對E102B換熱管進行了渦流檢查，未發(fā)現(xiàn)換熱管壁厚嚴重減薄的現(xiàn)象，設(shè)備運行良好。

[1]陳留栓主編.氨汽提尿素市場工藝培訓教材.化學工業(yè)出版社，2005.

[2]尿素優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)與設(shè)備操控及維護使用手冊.北方工業(yè)出版社，2006.

[3]梁國斌，曹淑慧.尿素中壓分解器列管泄漏原因分析及對策.大氮肥，2002年第1期.