尿素合成塔不銹鋼襯里更換技術(shù)及質(zhì)量控制

李正方，王會(huì)瓊

(1.云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338;2.云南大為化工裝備制造有限公司，云南 沾益 655338)

尿素合成塔是斯那姆氨汽提尿素生產(chǎn)裝置中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)為立式反應(yīng)容器，由上、下封頭，筒體和內(nèi)件等構(gòu)成。設(shè)備內(nèi)直徑 Φ1250 mm，高度約 30.6 m，筒體采用多層層板包扎結(jié)構(gòu)，總壁厚為 84 mm，層板材料為 15 MnVR;襯里壁厚 6 mm，材料為316L-UG;盲層壁厚 6 mm，材料為 15 MnVR;上、下封頭為單層半球形結(jié)構(gòu)，材料為 19 Mn6，壁厚為 68 mm，上、下封頭的內(nèi)表面均襯有 6 mm 厚316L-UG不銹鋼襯里。人孔內(nèi)徑為 Φ500 mm，人孔內(nèi)表面和人孔蓋耐蝕表面襯有厚度為 6 mm 的不銹鋼襯里，襯里材質(zhì)均為316L-UG;塔內(nèi)安裝12層塔盤，塔盤間距為 1900 mm。

設(shè)備經(jīng)過二十多年運(yùn)行后，塔內(nèi)壁的襯里及焊縫出現(xiàn)不同程度的腐蝕減薄，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)從塔頂部向下第1～3節(jié)筒體的襯里腐蝕減薄最為嚴(yán)重，必須進(jìn)行更換修復(fù)[1]。合成塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)及規(guī)格(見表1)。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及規(guī)格

1 襯里腐蝕情況

1.1 上部襯里

從合成塔不銹鋼襯里整體腐蝕情況來看，合成塔的中上部襯里腐蝕最為嚴(yán)重，測(cè)厚數(shù)據(jù)詳見表2。合成塔的上部為溫度的最高區(qū)域，而且該區(qū)域氨基甲酸銨的濃度相對(duì)也比較高，腐蝕最嚴(yán)重。經(jīng)對(duì)尿素合成塔所有筒節(jié)襯里測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)上部三個(gè)筒節(jié)襯里腐蝕最為嚴(yán)重，最薄處僅為 3.3 mm 厚，平均厚約為 3.6 mm。襯里原設(shè)計(jì)厚度為 6 mm，最大減薄量達(dá)到 2.9 mm(見表2)。經(jīng)過測(cè)算合成塔襯里使用年腐蝕速率0.2～0.3 mm/a，襯里的腐蝕速率加快。其余襯里筒節(jié)壁厚平均在4.8～5.4 mm，大于計(jì)算厚度，還能滿足安全使用要求[2]。

表2 合成塔測(cè)厚平均數(shù)據(jù)表

1.2 襯里焊縫

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，襯里縱、環(huán)焊縫邊緣多處腐蝕呈刀口狀，腐蝕主要在焊縫與母材的融合線上，沿著融合線向母材部分選擇性腐蝕，焊接熱影響區(qū)內(nèi)母材腐蝕更為嚴(yán)重。由于歷年來打磨補(bǔ)焊導(dǎo)致補(bǔ)焊焊縫缺陷及熱影響區(qū)的襯里組織敏化，產(chǎn)生并加速了晶間腐蝕。焊縫上則發(fā)現(xiàn)多處針孔腐蝕，主要是焊縫內(nèi)夾雜了氣泡，當(dāng)表層被腐蝕透以后，介質(zhì)對(duì)焊肉針孔處腐蝕(見圖1)。甲銨液對(duì)不銹鋼晶間腐蝕的作用很強(qiáng)，若襯板固溶處理工藝不當(dāng)，會(huì)析出碳化物產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕，手摸后晶粒脫落情況[2]。

圖1 襯里刀口腐蝕

1.3 襯里金相組織

襯里采用的尿素級(jí)不銹鋼(316-UG)，因其組織均勻，各部位的腐蝕速度應(yīng)基本一致。但在檢查中發(fā)現(xiàn)，襯里表面顏色呈現(xiàn)出深灰色，并有大量金屬顆粒粉末脫落。襯里表面較粗糙且有凹凸不平，部分襯里表面存在類似圓狀突起(見圖2)。經(jīng)對(duì)襯里表面進(jìn)行鐵素體檢測(cè)，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.68%～1.3%，已超過標(biāo)準(zhǔn)要求(<0.6%)。襯里嚴(yán)重減薄凹陷處鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)達(dá)1.3%，相對(duì)凸起約處為0.68%。尿素氨基甲酸銨液對(duì)奧氏體和鐵素體不銹鋼及其焊接接縫具有強(qiáng)烈的選擇性腐蝕。由于襯里鐵素體含量超標(biāo)，在這些鐵素體含量超標(biāo)處，鐵素體組織優(yōu)先被腐蝕凹陷，而鐵素體含量超標(biāo)較小處腐蝕速率較慢厚度相對(duì)較厚。因此，在該襯里表面呈凹凸起伏狀(見圖2)。采用打磨拋光的方式去除粗糙表面再進(jìn)行鐵素體檢測(cè)，但是檢測(cè)結(jié)果同樣。

圖2 腐蝕嚴(yán)重的襯里表面

1.4 襯里最小厚度

根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) D10―AlOS―95，在考慮不失穩(wěn)條件下，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：δ為襯里厚度，mm;D為容積內(nèi)徑，mm(取 1250 mm);Et為金屬溫度下的彈性模數(shù)，MPa(取184×103MPa)。

按上式計(jì)算得出，襯里最小厚度約為 2.74 mm。

開車期間，由于襯里與殼體之間的熱膨脹不同引起襯里翹曲的條件下，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：δ為襯里厚度，mm;D為：容積內(nèi)徑，mm(取 1250 mm);t為：壓力低于 0.6 MPa 時(shí)的最高溫度(通常取 150 ℃);αL為溫度為v時(shí)襯里材料的線膨脹系數(shù)(通常為1.7×10-31/℃);αS為溫度為v時(shí)殼體材料的線膨脹系數(shù)(通常為1.16×10-31/℃)。

按上式計(jì)算出最小厚度約 2.93 mm。為確保設(shè)備使用安全，最小襯里壁厚t值應(yīng)取兩計(jì)算值的較大者，即取 2.93 mm。

尿素合成塔上部的三節(jié)襯里筒節(jié)最小壁厚為 3.3 mm，與計(jì)算出的最小壁厚 2.93 mm 較接近，設(shè)備安全運(yùn)行存在非常大的安全隱患。下部襯里筒節(jié)壁厚在4.8～5.4 mm，根據(jù)歷年合成塔襯里筒體測(cè)厚數(shù)據(jù)得出的腐蝕速率并結(jié)合計(jì)算出的襯里必須的最小厚度，其余筒節(jié)襯里還可繼續(xù)使用。

2 襯里更換方案比較

塔體上部三節(jié)襯里筒節(jié)腐蝕減薄問題嚴(yán)重，經(jīng)對(duì)檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果可知，為確保合成塔安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)此三節(jié)襯里進(jìn)行更換。每個(gè)襯里筒節(jié)高 1900 mm，內(nèi)徑為 Ф1250 mm，總的更換面積為 22.37 m2。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和襯里更換面積，有以下方案：

1)貼襯

貼襯方法是利用現(xiàn)有的舊襯里作為墊背，在其表面再貼一層新襯里。采用此方法的弊端是塔內(nèi)徑變小，導(dǎo)致塔盤間隙變小，原塔盤須修改外形尺寸才能安裝。另外，因舊襯里表面腐蝕導(dǎo)致凹凸不平，按貼合度不大于 1 mm 的要求，新舊襯里之間的貼合度不易保證。特別是，在升溫和卸壓過程中，襯里因受過大壓應(yīng)力而失穩(wěn)鼓包，導(dǎo)致襯里損壞。所以，此種方法僅適用于局部小面積的貼補(bǔ)，不宜用于大面積貼補(bǔ)。

2)拆除舊襯里更換新襯里

先拆除舊襯里再貼新襯里，此方法易保證襯里與承壓殼體間的貼合間隙，并可以疏通和檢查檢漏孔，改善襯里的受力狀況。因本設(shè)備結(jié)構(gòu)較特殊，在不損傷設(shè)備主體結(jié)構(gòu)的情況下，襯里只能從下封頭上的人孔送入塔內(nèi)。人孔直徑 Φ500 mm，襯里須分瓣后才能送入塔內(nèi)進(jìn)行拼焊。由于拼接焊縫多，焊接工作量大，施工效率低。

若采用損壞設(shè)備主體，即將上封頭沿焊縫線切割取下，待舊襯里拆除，新襯里更換完畢后再重新組焊封頭。此方法的優(yōu)點(diǎn)是更換的襯里質(zhì)量容易保證，缺點(diǎn)是封頭切割需要專用工具，焊后需對(duì)焊縫按原設(shè)計(jì)圖樣要求進(jìn)行無損檢測(cè)和局部熱處理，施工工期較長(zhǎng)，適合一次性更換全部襯里。

本次只更換塔體上部三個(gè)襯里筒節(jié)，面積較小。結(jié)合成本和工期的綜合考慮，優(yōu)先考慮不損傷設(shè)備主體結(jié)構(gòu)，襯里只能從下封頭上的人孔送入塔內(nèi)進(jìn)行更換。

3 襯里更換及修復(fù)關(guān)鍵質(zhì)量控制

1)材料選用[3]

①新襯里材料選用尿素級(jí)不銹鋼316LMod(724L)，板厚為 6.0 mm。

②手工電弧焊焊條選用牌號(hào)為OK310Mo-L，規(guī)格為 Ф3.2 mm 和 Ф4.0 mm;手工氬弧焊焊絲選用SANDVIK R25-22-2LMn，規(guī)格為 Ф2.4 mm。

2)襯里板預(yù)制

根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣預(yù)制新襯里，每圈分3片，每片弧長(zhǎng) 1320 mm(下料時(shí)需留有約 10 mm 的余量)，寬度不得超過 490 mm，總片數(shù)根據(jù)實(shí)際貼襯的范圍確定;新襯里坡口環(huán)焊縫加工成20°、縱焊縫坡口加工成30°的內(nèi)坡口后，預(yù)制成半徑為R619的弧板，卷制后對(duì)新襯里板做酸洗鈍化處理。

采用專用的包裝箱，對(duì)制作合格的襯里板進(jìn)行分層包裝并作好標(biāo)記，包裝要嚴(yán)密，防止在吊裝和運(yùn)輸當(dāng)中造成磕碰、劃傷，防止鐵離子和氯離子等對(duì)襯里產(chǎn)生污染。

3)襯里拆除及襯墊槽打磨

拆除襯里交應(yīng)先拆除貼襯區(qū)域的塔盤，并對(duì)塔盤進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)記須保證在施工期間清晰可見。在貼襯區(qū)域利用塔盤和支撐工裝作為施工平臺(tái)，采用碳弧氣刨和砂輪沿切割線去除需要貼襯里處舊襯里蓋板和貼襯里區(qū)域的塔板支架，切下的蓋板分割成小片從人孔吊出塔外，塔板支架切除后，需采用砂輪打磨清理焊縫并盡量把蓋板下面的原襯里(沒有腐蝕減薄)打磨與其相鄰部位襯里平齊。

襯里拆除采用自上而下進(jìn)行，拆除后逐段對(duì)筒體進(jìn)行打磨處理(包括打磨襯墊槽、清理氣刨及焊接飛濺等)，舊襯里拆除采用碳弧氣刨+砂輪片切割的方法，切割時(shí)盡量避免傷到碳鋼殼體表面(碳弧氣刨保留1～2 mm 不刨，采用砂輪片切割保留部分)，并防止污染、堵塞檢漏孔。襯里更換前需在原襯里上標(biāo)識(shí)好貼襯位置檢漏孔，并對(duì)塔體上檢漏系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)、疏通。在新襯里內(nèi)壁上加工出R 2.5 mm、深 2 mm 的縱、環(huán)檢漏槽，采用電鉆在每片貼襯里對(duì)應(yīng)的原襯里上鉆兩個(gè) Ф6 mm 小孔，使之與原檢漏系統(tǒng)貫通。

在新襯里焊縫對(duì)應(yīng)的碳鋼承壓殼體上打磨出襯墊槽，襯墊槽深度 1.5 mm，寬 25 mm，要求圓滑過渡，以減小應(yīng)力集中。新襯里組對(duì)前，在環(huán)、縱焊縫背面安裝寬度 15 mm，厚度 1 mm，材質(zhì)為316 Lmod的襯墊板，襯墊板兩邊應(yīng)打磨成弧形，以利于弧形襯墊槽貼緊并確保整個(gè)筒節(jié)的襯里貼板相連通，便于氨檢漏試驗(yàn)。

4)合成塔檢漏系統(tǒng)改造

原合成塔的筒體每條環(huán)焊縫的蓋板角焊縫處設(shè)有316L材料的檢漏管共56根。在殼體環(huán)焊縫上下各 Ф38 mm 處，分別開兩個(gè)檢漏孔。由殼體外向內(nèi)鉆 Ф14.5 mm 的孔，孔內(nèi)插入 13.7 mm×3.02 mm 的不銹鋼管，不銹鋼管與襯里焊死，焊后將襯里蓋板密封焊(見圖3)。襯里檢漏是采用環(huán)縫蓋板加角焊縫結(jié)構(gòu)形式，襯里環(huán)縫可以進(jìn)行檢漏，但是縱縫不能進(jìn)行檢漏，存在一定的安全隱患。另外，本次合成塔更換襯里是由人孔進(jìn)入塔內(nèi)，焊縫數(shù)量增加約四倍，而焊縫數(shù)量增加將導(dǎo)致焊縫泄漏的幾率增大。因此，利用更換襯里時(shí)對(duì)檢漏系統(tǒng)進(jìn)行改造重建，一旦尿素合成塔襯里環(huán)、縱焊縫出現(xiàn)泄漏時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)就可以避免或減少安全事故[4]。

圖3 原設(shè)計(jì)檢漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

刨除舊襯里后，在盲層板內(nèi)壁表面上加工出縱向和環(huán)向的溝槽作為檢漏槽，使新檢漏槽與原有的檢漏槽貫通(見圖4)，對(duì)原檢漏系統(tǒng)進(jìn)行疏通并形成一個(gè)新的檢漏系統(tǒng)。在盲層板內(nèi)壁表面加工檢漏槽不影響設(shè)備筒體承壓強(qiáng)度，在合成塔強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，襯里層及盲層板都不計(jì)入受力厚度。

圖4 改進(jìn)后檢漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5)新襯里的裝配與焊接

在新襯里組對(duì)前先按原設(shè)計(jì)中襯里上的接管、溫度計(jì)套管等方位開孔，并打磨焊接坡口。貼襯從下向上進(jìn)行，根據(jù)襯里板的板寬劃水平線，作為裝配輔助基準(zhǔn)線，將已預(yù)制好的襯里板吊入塔中進(jìn)行組焊，縱、環(huán)焊縫均采用氬弧焊焊接。襯里貼板和基層板夾層內(nèi)不存在殘余空氣，避免裝置停車排放時(shí)襯里貼板可能出現(xiàn)膨脹失穩(wěn)現(xiàn)象，襯里貼板之前，須將每個(gè)筒節(jié)的所有檢漏孔疏通。襯里組裝時(shí)，用專用工裝撐緊襯里，然后點(diǎn)固、焊接，組焊時(shí)要求接頭部位須最后貼緊，以保證襯里與承壓殼體充分貼緊，新襯里板的局部不貼合間隙應(yīng)≤1 mm。然后再按上述方法進(jìn)行上一節(jié)襯里組焊(襯里環(huán)、縱縫焊接接頭見圖5)。

圖5 襯里筒體環(huán)、縱縫焊接接頭

新襯里與舊襯里筒節(jié)環(huán)焊縫接頭處，因舊襯里筒體下環(huán)縫無法打磨襯墊槽，故墊板可直接嵌入原襯里下面。焊接前，先打磨成20°外坡口，對(duì)舊襯里坡口做著色(PT)檢測(cè)無裂紋等缺陷后，按照襯里環(huán)焊縫焊接工藝完成組焊。

施焊要求：焊接工藝應(yīng)嚴(yán)格按經(jīng)焊接工藝評(píng)定合格的，焊工須有相應(yīng)焊工資質(zhì)，焊材須經(jīng)復(fù)驗(yàn)合格?？v焊縫采取“氬弧焊+手工電弧焊+氬弧焊”的焊接工藝，環(huán)焊縫采取“氬弧焊+手工電弧焊”的焊接工藝，焊縫錯(cuò)邊量≤1 mm。焊接參數(shù)見表3。

表3 襯里環(huán)縫、縱縫焊接參數(shù)

組裝、焊接襯里時(shí)，最后一塊襯里板按實(shí)際尺寸下料，使熔敷金屬盡可能少，以減小焊接帶來的收縮變形。焊接順序采用先焊接縱縫，再焊接環(huán)縫。為保證焊接質(zhì)量，所有焊縫均采用手工氬弧焊打底，每道焊縫焊完后應(yīng)仔細(xì)檢查、磨去收弧坑，焊縫焊完后著色(PT)檢測(cè)，鐵素體含量檢查。在焊接過程中，要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程施焊，焊接過程始終遵循小的線能量輸入，控制焊接電流及焊接速度，防止熱量輸入過大造成焊縫的耐腐蝕性能下降并嚴(yán)格控制層間溫度，并做好起弧、收弧處的技術(shù)處理。襯里更換完畢后，須對(duì)襯里板面、隔離槽堆焊層及所有襯里焊縫做宏觀檢查，并對(duì)堆焊層及焊縫進(jìn)行著色(PT)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015 I級(jí)合格;鐵素體(FT)檢測(cè)，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)≤0.6%。

6)襯里修復(fù)

襯里表面若有較小的蝕坑、蝕溝及表面裂紋，需打磨去除，邊緣要圓滑過渡;打磨深度≤2 mm，然后進(jìn)行補(bǔ)焊。襯里局部有大面積腐蝕的，通過打磨、拋光、鈍化的方法處理，以減緩腐蝕。打磨時(shí)，應(yīng)采取措施防止襯里過熱，不得出現(xiàn)氧化變色現(xiàn)象，并用角磨機(jī)布沙輪機(jī)械拋光。

襯里焊縫的修復(fù)，包括原襯里焊縫、塔板支架角焊縫、接管焊縫及封頭堆焊層的修復(fù)，其修復(fù)的方法與襯里表面修復(fù)是一致的。對(duì)焊縫上肉眼可見底且深度很淺的氣孔、未熔合孔隙、腐蝕孔洞，可不做處理。若較深，可以局部打磨，邊緣應(yīng)圓滑過渡，打磨深度 ≤2 mm 的可以不補(bǔ)焊。打磨深度 >2 mm 但未穿透耐蝕層的，可以用R25-22-2LMn焊絲氬弧焊補(bǔ)焊。對(duì)出液管彎頭處腐蝕的焊縫，采用氬弧焊+手工電弧焊補(bǔ)焊，腐蝕減薄的塔盤支架采用手工電弧焊。對(duì)所有修復(fù)處進(jìn)行表面著色和鐵素體檢測(cè)，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.6%，檢查不合格的應(yīng)重新打磨補(bǔ)焊，對(duì)缺陷打磨的范圍及焊接次數(shù)應(yīng)盡量少，并盡量采取小范圍內(nèi)補(bǔ)焊。

7)襯里檢驗(yàn)及驗(yàn)收[5]

①襯里氨滲漏試驗(yàn)

試驗(yàn)方案根據(jù) HG/T20584附錄A 壓力容器氨檢漏試驗(yàn)方法A進(jìn)行。即先通入氨氣使壓力(表壓)逐漸升到 2.5 kPa，保壓 12 h 后在襯里焊縫上貼上顯色劑酚酞試紙檢漏，無紅色產(chǎn)生即為合格，在通氨前后注意用氮?dú)庵脫Q干凈。經(jīng)檢驗(yàn)未見漏點(diǎn)，試驗(yàn)一次性合格。

②設(shè)備耐壓試驗(yàn)

襯里氨泄漏試驗(yàn)合格后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)，應(yīng)嚴(yán)格控制水中氯離子質(zhì)量濃度≤25 mg/L，水溫不得低于 15 ℃。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T150-2011要求緩慢升壓至設(shè)計(jì)壓力(16.7 MPa)，確認(rèn)無泄漏后繼續(xù)升壓至水壓試驗(yàn)壓力 21 MPa，保壓 30 min，然后降至設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，無泄漏，無可見變形和異常聲響為合格，經(jīng)檢驗(yàn)設(shè)備水壓試驗(yàn)合格。

水壓試驗(yàn)合格后，為了確保焊縫還應(yīng)對(duì)襯里焊縫表面進(jìn)行著色檢測(cè)，檢驗(yàn)合格后。對(duì)襯里表面進(jìn)行酸洗鈍化處理，并采用藍(lán)點(diǎn)法檢測(cè)，以無藍(lán)點(diǎn)為合格。經(jīng)一系列相關(guān)檢測(cè)及檢驗(yàn)均達(dá)到相關(guān)要求，證實(shí)所采用的襯里更換方法是切實(shí)可行的。

4 結(jié)語

通過對(duì)尿素合成塔襯里更換的關(guān)鍵工序及其質(zhì)量控制要點(diǎn)嚴(yán)格把關(guān)，自襯里更換后投用運(yùn)行狀況良好。實(shí)踐證明，該種襯里更換技術(shù)是可行，可為類似產(chǎn)品施工提供借鑒。