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        尿素合成塔外層板裂紋的產(chǎn)生原因及對(duì)策分析

        2014-04-02 01:42:56龍帆
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年11期
        關(guān)鍵詞:對(duì)策研究

        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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無(wú)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(kāi)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?chē)糠?。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(guò)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(jiàn)表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來(lái)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(guò)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(méi)有太大問(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)裂。從裂紋開(kāi)裂的方式來(lái)看,其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過(guò)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(kāi)裂。通過(guò)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(lái)說(shuō),該廠的尿素合成塔外層板開(kāi)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(guò)對(duì)該廠因外層板開(kāi)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(méi)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(mén)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(mén)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(guò)氨滲漏的方式對(duì)外層板展開(kāi)檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來(lái)完成此項(xiàng)檢漏工作。

        (4)在使用尿素合成塔的過(guò)程中,一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(guò)使用降氧式、增氨式以及脫氫式來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(yǔ)

        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(guò)尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來(lái)說(shuō),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(kāi)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(shū)根,等.尿素介成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無(wú)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(kāi)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?chē)糠?。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(guò)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(jiàn)表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來(lái)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(guò)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(méi)有太大問(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)裂。從裂紋開(kāi)裂的方式來(lái)看,其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過(guò)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(kāi)裂。通過(guò)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(lái)說(shuō),該廠的尿素合成塔外層板開(kāi)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(guò)對(duì)該廠因外層板開(kāi)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(méi)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(mén)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(mén)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(guò)氨滲漏的方式對(duì)外層板展開(kāi)檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來(lái)完成此項(xiàng)檢漏工作。

        (4)在使用尿素合成塔的過(guò)程中,一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(guò)使用降氧式、增氨式以及脫氫式來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(yǔ)

        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(guò)尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來(lái)說(shuō),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(kāi)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(shū)根,等.尿素介成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。因此可以得出外層板裂縫與內(nèi)里無(wú)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(kāi)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?chē)糠帧A鸭y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(guò)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(jiàn)表2。就材料對(duì)參數(shù)方面的要求來(lái)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(guò)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(méi)有太大問(wèn)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(lái)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(kāi)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(kāi)裂。從裂紋開(kāi)裂的方式來(lái)看,其具有應(yīng)力腐蝕性表現(xiàn)。通過(guò)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(kāi)裂。通過(guò)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(lái)說(shuō),該廠的尿素合成塔外層板開(kāi)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(guò)對(duì)該廠因外層板開(kāi)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(méi)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(mén)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(mén)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(guò)氨滲漏的方式對(duì)外層板展開(kāi)檢漏工作。應(yīng)該選擇不具有腐蝕性的氣體來(lái)完成此項(xiàng)檢漏工作。

        (4)在使用尿素合成塔的過(guò)程中,一定要按照國(guó)家所指定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(guò)使用降氧式、增氨式以及脫氫式來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(yǔ)

        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(guò)尿素合成塔爆炸事故。因此對(duì)于尿素加工廠來(lái)說(shuō),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(kāi)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(shū)根,等.尿素介成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開(kāi)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

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