CO2汽提法尿素裝置高壓設(shè)備運(yùn)行總結(jié)

石新光，李運(yùn)川

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

海洋石油富島有限公司化肥二部2003年9月建成投產(chǎn)，年產(chǎn)450kt 合成氨、800kt 尿素。該裝置投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行超過(guò)300d以上的長(zhǎng)周期有四次，分別為313d、367d、346d、492d（目前未停車）。其中，尿素裝置采用斯塔米卡邦改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝，其高壓合成系統(tǒng)由4臺(tái)高壓設(shè)備組成：合成塔、汽提塔、高壓甲銨冷凝器、高壓甲銨洗滌器。

1 裝置運(yùn)行情況

尿素裝置自2003年投產(chǎn)已經(jīng)運(yùn)行了17a，投產(chǎn)后裝置每3a 進(jìn)行一次大修，每次大修都會(huì)對(duì)高壓設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)厚及修復(fù)等，運(yùn)行這17a 間，經(jīng)歷過(guò)合成塔頂部氣相段腐蝕、高壓甲銨冷凝器管板損壞、高壓甲銨洗滌器筒體兩次破裂、換熱管泄漏和防爆板破裂等設(shè)備損害事故等。17a 間，裝置最低負(fù)荷為65%，合成塔平均氨碳比為3.05，平均水碳比為0.8，出口尿液中鎳含量平均值未出現(xiàn)異常工況；汽提塔出液溫度最高紀(jì)錄為202℃（正常指標(biāo)為177～185℃，主要是在停車期間），CO2經(jīng)脫氫反應(yīng)器后進(jìn)入汽提塔的O2含量正?？刂圃?.6%～0.8%，平均O2含量為0.72%，未出現(xiàn)過(guò)斷氧工況。高壓甲銨冷凝器管側(cè)蒸汽冷凝液Cl-含量最高2.5×10-6（2018年閃蒸槽冷凝器列管腐蝕穿孔致循環(huán)水進(jìn)入蒸汽冷凝液系統(tǒng)，2019年更換新設(shè)備），正常生產(chǎn)中Cl-平均值為0.17×10-6，低壓汽包蒸汽冷凝液每天排放4次，每次以8t/h 流量排放20min左右。汽提塔運(yùn)行正常，汽提塔列管逐年列管均勻腐蝕減薄。

2 高壓設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題及原因分析

2.1 合成塔

2003年投產(chǎn)以來(lái)一直運(yùn)行平穩(wěn)，這17a 來(lái)總共開(kāi)蓋檢修7 次，分 別 是2006 年、2009 年、2012 年、2015 年、2016 年、2017年、2019年。檢修期間均對(duì)合成塔內(nèi)部進(jìn)行了宏觀檢查、襯里測(cè)厚及焊縫檢測(cè)等，并對(duì)檢查、檢測(cè)出的缺陷進(jìn)行修復(fù)。

從尿素合成塔歷年檢查、檢修的情況來(lái)看，該設(shè)備2003—2012年耐蝕構(gòu)件本身處于正常的全面型均勻腐蝕狀態(tài)，沒(méi)有較大的異常腐蝕缺陷情況出現(xiàn)，總體處于完好狀態(tài)。

2015年大修發(fā)現(xiàn)尿素合成塔存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，主要有兩個(gè)位置：①在合成塔氣液相交匯區(qū)域筒體一圈存在嚴(yán)重的針孔腐蝕現(xiàn)象，腐蝕寬度350～400mm。腐蝕區(qū)域呈波浪狀、蜂窩狀、溝狀、坑狀、點(diǎn)狀等不規(guī)則形態(tài)，并有筒體金屬呈片狀剝落.最大腐蝕深度約4mm（圖1）。②上封頭堆焊層與筒節(jié)襯里之間過(guò)渡段兩道環(huán)焊縫整圈出現(xiàn)裂紋并局部潰爛，較深的位置裂紋深度達(dá)到6～7mm（圖2）。大修中，對(duì)合成塔氣液交匯區(qū)域襯里腐蝕深度超過(guò)2mm 的位置進(jìn)行打磨補(bǔ)焊處理，小于2mm 的打磨圓滑過(guò)渡。對(duì)上封頭與筒節(jié)的環(huán)焊縫裂紋進(jìn)行了打磨補(bǔ)焊處理。此外，對(duì)合成塔上部保溫進(jìn)行了修復(fù)，操作上要求合成塔液位調(diào)整避開(kāi)腐蝕部位等維護(hù)措施。

圖1 合成塔氣液交匯處

圖2 上封頭與筒節(jié)環(huán)焊縫

2016 年合成塔檢修主要為檢查處理2015 年大修期間處理的汽液交匯處襯里腐蝕及上封頭與筒體襯里連接處兩道環(huán)焊縫裂紋。共發(fā)現(xiàn)裂紋12 處，其中環(huán)焊縫11 處均為淺表裂紋，深度未超過(guò)1mm，打磨補(bǔ)焊處理。西側(cè)縱焊縫發(fā)現(xiàn)一處裂紋深度超過(guò)3mm,打磨補(bǔ)焊處理。汽液交匯處襯里未發(fā)現(xiàn)裂紋，有局部坑洼不平現(xiàn)象，打磨檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋。襯里測(cè)厚10.6～11.0mm，相對(duì)2015年數(shù)據(jù)未出現(xiàn)減薄現(xiàn)象。臨時(shí)增補(bǔ)金正檢測(cè)對(duì)合成塔進(jìn)行全面檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。

2017年檢修中未發(fā)現(xiàn)氣液相交匯處筒體一周有嚴(yán)重腐蝕跡象，為了保證合成塔的安全運(yùn)行，對(duì)尿素合成塔上封頭襯里進(jìn)行更換，新襯里厚度為8mm，材料為X2CrNiMo25-22-2。

2019年檢修主要對(duì)打磨過(guò)的堆焊層進(jìn)行PT 檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋，對(duì)其他位置堆焊層進(jìn)行打磨，PT 發(fā)現(xiàn)存在多處淺表裂紋，打磨深度1mm 裂紋消除。

合成塔頂部氣液交匯區(qū)及頂部封頭和筒節(jié)交匯區(qū)出現(xiàn)腐蝕的原因：①頂部封頭及氣液交匯區(qū)保溫不好，存在冷凝腐蝕是主要原因；②合成塔頂部在空塔投料時(shí)，由于升溫鈍化合成塔升溫鈍化溫度高，蒸汽冷凝液未排凈、投料過(guò)快等原因很容易造成頂部超溫，最高溫度達(dá)到225℃，可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；③2012—2015年的大修周期內(nèi)，尿素裝置停車次數(shù)較為頻繁，共發(fā)生過(guò)20次停車，其中封塔停車12次。封塔停車過(guò)程中，合成塔中氧含量不足，內(nèi)部鈍化膜破裂，再加上超溫操作加劇了襯里腐蝕的速率。

2.2 汽提塔

2012年大修期間，對(duì)汽提塔列管進(jìn)行渦流檢測(cè)，列管減薄有均勻遞增趨勢(shì)，在這個(gè)運(yùn)行周期， 列管有明顯的腐蝕減薄，其腐蝕速率為 0.06～0.07mm/a ，為25-22-2型材料在高溫高壓尿素-甲銨溶液中的理論腐蝕速率高限。單根列管最大腐蝕速率為 0.08mm/a 左右，單根列管最小腐蝕速率為 0.03mm/a 左右，全部列管平均腐蝕速率為 0.06mm/a 左右。

2015 年大修期間，汽提塔列管渦流檢測(cè)和2012 年檢測(cè)數(shù)據(jù)比較，單根列管最小減薄值為0.15mm，最大減薄值為0.60mm，平均減薄值為0.24mm。列管平均腐蝕速率為正常值偏高限，但壁厚值在2.30mm 以下的列管中有約400根列管腐蝕速率較為異常，分析認(rèn)為：列管已經(jīng)處于腐蝕加劇期，檢查發(fā)現(xiàn)部分升氣管已處在使用壽命的末期，此次檢修更換了80根。

2017年大修期間，更換了3 783根液體分布管進(jìn)行了更換，其中1 870根為原廠家進(jìn)口，其余1 913根為更換分布頭修復(fù)件。同時(shí)渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)壁厚1.9mm 以下的列管有132根。

2019年大修對(duì)2017年9月大修檢測(cè)壁厚1.9mm 以下的132根換熱管進(jìn)行渦流測(cè)厚及探傷，并對(duì)襯里進(jìn)行檢查，檢測(cè)的這部分列管平均壁厚1.844mm（2017年9月為1.890mm），腐蝕速率0.03mm/年，其中最薄壁厚1.75mm，共8根。列管為均勻腐蝕，沒(méi)有較深的沖刷腐蝕溝槽、腐蝕坑，未達(dá)到通常考慮堵管的管壁厚（小于1.70mm 以下），故本次檢修沒(méi)有需要堵管的換熱管。從安全生產(chǎn)考慮，計(jì)劃2021年大修將對(duì)汽提塔進(jìn)行整體更換。

汽提塔列管腐蝕減薄的位置集中在中上部，可能原因有：①蒸汽進(jìn)氣口在中上部，對(duì)列管有沖刷腐蝕；②中上部溫度較高，溶解氧含量相對(duì)較低；③中上部為氣液交匯處，也存在沖刷腐蝕。

2.3 高壓甲銨冷凝器

2015年之前的大修，高壓池式冷凝器303C 宏觀檢查、渦流檢測(cè)都未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，但高壓甲銨冷凝器與低壓汽包連接的管板上孔板的孔徑逐年增大，存在沖刷腐蝕。

2016年 3月，裝置區(qū)內(nèi)的4塊低壓蒸汽冷凝液電導(dǎo)同步上漲，立即組織各級(jí)人員對(duì)尿素裝置蒸汽系統(tǒng)、冷凝液系統(tǒng)、相關(guān)設(shè)備、吹掃蒸汽、夾套、疏水器、沖洗水、N/C 分析儀等進(jìn)行全面排查，初步斷定為高壓甲銨冷凝器發(fā)生內(nèi)漏。4月系統(tǒng)停車后，先后對(duì)高壓甲銨冷凝器管側(cè)、殼側(cè)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)碳鋼管板“管橋”出現(xiàn)貫穿性空穴，高壓管板發(fā)生失效性嚴(yán)重?fù)p壞。

原因分析：碳鋼管板經(jīng)受異常沖刷腐蝕，致使管板“管橋”逐漸減薄至貫穿性失效，內(nèi)部被掏空，不銹鋼堆焊層在巨大的壓差下出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致與高壓相接觸的堆焊層不斷變形并向已掏空的碳鋼側(cè)凸起，由于拉筋的存在（用于在殼程固定管束），致使邊緣的拉筋位置處無(wú)法同步變形，因此在拉筋位置的下方管橋處造成了局部應(yīng)力過(guò)高，最終導(dǎo)致管束移位，堆焊層變形、產(chǎn)生裂紋，是設(shè)備損壞泄漏事故的直接原因。由于該設(shè)備屬于廠家專利設(shè)備，在設(shè)備設(shè)計(jì)、選材、運(yùn)維等方面，無(wú)論是廠家還是我方技術(shù)人員均缺乏足夠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一些異?，F(xiàn)象認(rèn)識(shí)不夠，是造成設(shè)備損壞未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免的主要原因。

事故發(fā)生后，公司按照專利商和設(shè)備制造商共同制定的修理程序組織相關(guān)單位對(duì)損壞設(shè)備進(jìn)行了臨時(shí)性修復(fù)，歷時(shí)105d 完成搶修，并投入使用，并按專利商要求增加了對(duì)蒸汽冷凝液溶解氧和pH 分析，同時(shí)將低壓汽包產(chǎn)生的蒸汽量和蒸汽冷凝液循環(huán)量比值控制在0.3～0.33。

2017年大修，高壓甲銨冷凝器和低壓汽包完成整體設(shè)備更換。2019年大修高壓甲銨冷凝器高壓側(cè)檢查未發(fā)現(xiàn)異常狀況，低壓側(cè)管箱存在輕微沖刷現(xiàn)象，碳鋼管板上部（出口側(cè)）內(nèi)孔存在沖刷腐蝕現(xiàn)象，實(shí)際測(cè)量管板孔增大約0.3mm 左右，沖刷腐蝕率在0.2mm/a 左右，下部（進(jìn)口側(cè)）未發(fā)現(xiàn)沖刷情況。

2.4 高壓甲銨洗滌器

高壓甲銨洗滌器運(yùn)行17a 間發(fā)生過(guò)筒體兩次破裂、換熱管泄漏和防爆板破裂等設(shè)備損害事故等。歷年大修宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)大的隱患缺陷。

2012年4月，尿素停車過(guò)程中由于高壓調(diào)溫水溫度低（最低92℃），持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致高壓甲銨洗滌器結(jié)晶，開(kāi)車投料過(guò)程中發(fā)現(xiàn)工況異常，停車搶修。打開(kāi)設(shè)備人孔后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部筒體嚴(yán)重變形，焊縫撕裂30cm 長(zhǎng)的裂口，隨后進(jìn)行設(shè)備筒體整體更換。其根本原因是：當(dāng)列管和中心管堵塞后，防爆筒外側(cè)與高壓合成塔氣相連通，而防爆筒內(nèi)側(cè)與低壓系統(tǒng)連通，并通過(guò)下液管與高壓噴射器吸氣室連通，在筒體外側(cè)高壓壓力和筒體內(nèi)側(cè)高壓噴射器的抽吸作用下，防爆筒內(nèi)外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內(nèi)側(cè)變形，直至被撕裂。其特點(diǎn)是，筒體受外力由外向內(nèi)變形或破裂。

2018年1月，尿素停車過(guò)程中，由于高壓洗滌器尾氣排放閥內(nèi)漏，主控將此閥全關(guān)，導(dǎo)致惰性氣體在高壓洗滌器中累積。開(kāi)車過(guò)程中高壓洗滌器中打水過(guò)多，吸收了設(shè)備內(nèi)的NH3和CO2，導(dǎo)致惰性氣體達(dá)到爆炸極限，在開(kāi)車過(guò)程中打開(kāi)高壓洗滌器尾氣閥操作幅度過(guò)大，氣體高速流動(dòng)產(chǎn)生靜電引發(fā)閃爆，筒體內(nèi)部局部壓力急劇上升，造成防爆筒體上的防爆槽破裂。其特點(diǎn)是設(shè)備內(nèi)尾氣爆炸，對(duì)筒體向外產(chǎn)生推力致使筒體向外變形或破裂。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，一般正常生產(chǎn)中，維持系統(tǒng)處于正常工藝指標(biāo)，對(duì)設(shè)備做好定期維護(hù)保養(yǎng)，可以有效防止設(shè)備發(fā)生事故。發(fā)生設(shè)備損害事故多發(fā)生在開(kāi)停車過(guò)程中，因?yàn)槭鹿实陌l(fā)生是瞬時(shí)的，不可控的，操作人員稍不留意就會(huì)發(fā)生事故。因此，對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)，掌握好開(kāi)停車操作是最基本也是最關(guān)鍵的要求。