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CO2汽提尿素工藝高壓圈設(shè)備腐蝕與處理

楊小艷米圣偉郭茜

(河南心連心化肥有限公司河南新鄉(xiāng)453731)

河南心連心化肥有限公司原料結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目中尿素生產(chǎn)裝置采用國產(chǎn)改進(jìn)型CO2汽提工藝，于2013年11月正式投產(chǎn)，單套設(shè)備設(shè)計(jì)日產(chǎn)尿素1 350 t，年產(chǎn)尿素800 kt。

1工藝流程簡介

CO2汽提法尿素生產(chǎn)裝置分高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、水解解吸及蒸汽冷凝液系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)主要由尿素合成塔、高壓洗滌器、高壓甲銨冷凝器以及CO2汽提塔四大高壓設(shè)備組成，工作壓力為13.6～14.4 MPa，工作溫度為165～190 ℃ ，是尿素生產(chǎn)的核心部分。

高壓部分工藝流程：出高壓甲銨冷凝器塔頂?shù)囊合嗪蜌庀喾謩e經(jīng)2條管線送入合成塔底，反應(yīng)液在塔內(nèi)上升到正常液位，溫度上升至180～185 ℃，經(jīng)溢流管從塔底排出，經(jīng)液位控制閥進(jìn)入汽提塔上部，與從塔下部導(dǎo)入的CO2氣體在殼側(cè)蒸汽加熱下發(fā)生汽提反應(yīng)，合成反應(yīng)液中過剩氨及未轉(zhuǎn)化的甲銨被汽提蒸出和分解，氣相從塔頂排出，液相從塔底排出；從汽提塔頂排出的氣體與新鮮氨及高壓洗滌器來的甲銨混合，一起進(jìn)入高壓甲銨冷凝器；從合成塔頂排出的氣體進(jìn)入高壓洗滌器，在高壓洗滌器中部分氨和CO2用低壓吸收段的甲銨液冷凝吸收，然后經(jīng)高壓甲銨冷凝器再返回合成塔，不冷凝的氣體減壓后進(jìn)入低壓吸收塔吸收后直接放空。

2設(shè)備結(jié)構(gòu)簡介

尿素合成塔為Q345R層板包扎壓力容器，內(nèi)襯材料為8 mm厚超低碳鎳鉻鉬不銹鋼X2CrNiMo 25- 22- 2(奧氏體不銹鋼)；內(nèi)筒為28 mm厚 Q345R容器板1層，共11層塔盤。塔體設(shè)有襯里檢漏系統(tǒng)，檢驗(yàn)襯里的腐蝕泄漏情況。

高壓甲銨冷凝器及CO2汽提塔均為管程承壓，殼程為調(diào)溫水和蒸汽，換熱管材質(zhì)為X2CrNiMo25- 22- 2，殼側(cè)耐壓部分材質(zhì)為Q345R，管板及上、下封頭均為8 mm厚 X2CrNiMo25- 22- 2焊帶材料堆焊襯里，堆焊襯里設(shè)有檢漏系統(tǒng)。

高壓洗滌器為浸沒型管殼式換熱器，其上部為球形防爆空間，防爆空間內(nèi)設(shè)有填料段；下部為管式換熱器，換熱器殼程為高壓調(diào)溫水，經(jīng)列管傳熱，對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；換熱管、填料段、管板以及管箱襯里材質(zhì)為X2CrNiMo25- 22- 2，襯里設(shè)有檢漏系統(tǒng)。

3設(shè)備腐蝕情況

尿素裝置自2013年底投產(chǎn)以來，系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行比較穩(wěn)定，各項(xiàng)操作均嚴(yán)格控制在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。2015年5月，尿素裝置停車大修，將高壓系統(tǒng)四大設(shè)備全部打開進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在腐蝕現(xiàn)象，具體腐蝕情況如下。

尿素合成塔內(nèi)襯存在多處腐蝕坑現(xiàn)象，腐蝕坑尺寸為Φ2.0 mm×0.5 mm和Φ3.0 mm×2.0 mm等。最大一處腐蝕坑尺寸為Φ12.0 mm×6.0 mm，坑深約2.5 mm。塔盤預(yù)焊件焊縫處也發(fā)現(xiàn)微小裂紋。

高壓甲銨冷凝器上封頭及管箱襯板存在6處腐蝕坑現(xiàn)象，最大兩處腐蝕坑尺寸為Φ8 mm×4 mm和Φ12 mm×4 mm，腐蝕深度已達(dá)到襯里厚度的1/2。

CO2汽提塔下封頭存在十幾處腐蝕坑現(xiàn)象，腐蝕坑為Φ2.0 mm×0.5 mm或麻點(diǎn)形狀。

高壓洗滌器無明顯腐蝕。

4腐蝕原因分析

尿素生產(chǎn)介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，需要嚴(yán)格控制操作工藝條件及選用高級(jí)耐腐蝕材料，才能確保安全生產(chǎn)。本裝置高壓系統(tǒng)主要耐腐蝕襯里材料為X2CrNiMo25- 22- 2。

根據(jù)行業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)，CO2汽提工藝生產(chǎn)裝置腐蝕的常見類型有均勻腐蝕、局部縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕坑、腐蝕溝、腐蝕孔洞、焊肉上選擇性腐蝕、焊縫熔合線刀狀腐蝕、熱影響區(qū)的晶間腐蝕等。在確定材料無問題前提下，造成這些腐蝕的原因很多，以下各環(huán)節(jié)都有可能是造成設(shè)備腐蝕的因素。

(1) 設(shè)備制造過程中存在質(zhì)量把控不嚴(yán)。設(shè)備制造過程中若存在未焊透、未融合、氣孔、夾渣等缺陷，這些部位容易成為奧氏體不銹鋼耐腐蝕的薄弱位置，從而形成腐蝕源頭。焊縫中鐵素體含量不應(yīng)超過2%～3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，否則會(huì)引起焊縫區(qū)ɑ相的選擇性腐蝕。另外，奧氏體不銹鋼材料應(yīng)避免與碳鋼類材料混放，制造過程中禁止使用鐵器直接接觸不銹鋼材料，以防鐵離子污染，形成腐蝕源頭。

(2) 開車鈍化處理。鈍化處理可使設(shè)備內(nèi)表面不銹鋼形成一層致密的鈍化膜，起到耐腐蝕作用，一般使用雙氧水或純氧進(jìn)行鈍化。鈍化過程中的溫度、時(shí)間及加氧量應(yīng)嚴(yán)格控制，才能形成穩(wěn)定的鈍化膜，否則即使經(jīng)過鈍化處理，投運(yùn)后鈍化膜很快就會(huì)遭破壞，進(jìn)一步造成設(shè)備腐蝕。

(3) 運(yùn)行過程中防腐處理。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，通常采取定量連續(xù)加雙氧水或純氧進(jìn)行防腐處理。加雙氧水或純氧的泵設(shè)備或裝置容易出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障后的一段時(shí)間內(nèi)無雙氧水或純氧供應(yīng)，容易造成鈍化膜的破壞，而鈍化膜一旦遭到破壞，很難進(jìn)行修復(fù)，必須停車排塔重新進(jìn)行升溫鈍化。為了避免此類事故發(fā)生，需要設(shè)置備泵或儲(chǔ)氣罐裝置，確保系統(tǒng)雙氧水或純氧的持續(xù)穩(wěn)定供給。

(4) 工藝操作溫度控制。正常操作時(shí)，嚴(yán)格控制各設(shè)備操作溫度上限，一旦出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，很容易造成設(shè)備腐蝕。

(5) 氨碳比與水碳比控制。由于尿素甲銨液會(huì)產(chǎn)生還原性很強(qiáng)的氰酸根，極易破壞鈍化膜而產(chǎn)生腐蝕。生產(chǎn)中加入過量的氨可中和尿素甲銨液的酸性，從而抑制腐蝕性很強(qiáng)的氰酸根的產(chǎn)生，但是氨碳比過大增加了后工段負(fù)荷，因此需要合理控制。尿素甲銨液在高溫、高壓下會(huì)產(chǎn)生氰氧酸胺，水的存在會(huì)使其離解產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的氰氧酸根，從而加劇物料對設(shè)備的腐蝕，因此，在CO2汽提裝置中應(yīng)控制合適的水碳比。

(6) 停車封塔控制。尿素系統(tǒng)短停封塔期間，由于系統(tǒng)停止了雙氧水或氧氣的加入，隨著系統(tǒng)壓力的下降，溶解于溶液中的氧不斷逸出，使不銹鋼表面的鈍化膜遭到破壞而出現(xiàn)均勻腐蝕。因此，在正常生產(chǎn)中，應(yīng)盡量減少裝置開停車次數(shù)，短停封塔時(shí)間不能超過24 h，系統(tǒng)壓力及溫度也不能過低。

(7) 水中氯離子控制。尿素裝置水系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)或停車排放置換時(shí)，氯離子會(huì)隨水進(jìn)入系統(tǒng)，而奧氏體不銹鋼對氯離子非常敏感，易產(chǎn)生氯離子腐蝕形成孔蝕和應(yīng)力腐蝕。因此，需嚴(yán)格控制水質(zhì)，確保水中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.2×10-6。另外，高壓甲銨冷凝器、CO2汽提塔及高壓洗滌器換熱段殼側(cè)調(diào)溫水直接與換熱管接觸，更需要嚴(yán)格控制水中氯離子含量。

5腐蝕情況處理

針對本次河南心連心化肥有限公司尿素高壓系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)的腐蝕問題，按照《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行評級(jí)，腐蝕情況最嚴(yán)重的高壓甲銨冷凝器的安全狀況等級(jí)被評定為4級(jí)，只能監(jiān)控使用。經(jīng)與新鄉(xiāng)市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所及設(shè)備制造廠家溝通后，由設(shè)備制造廠家提出修復(fù)方案并進(jìn)行施工，修復(fù)后不影響定級(jí)。具體修復(fù)方案如下。

(1) 對于缺陷深度不超過2 mm的點(diǎn)蝕及裂紋處按1∶3的斜度要求進(jìn)行修磨，修磨后按JB/T 4730.5—2005進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，Ⅰ級(jí)合格。

(2) 對于缺陷深度超過2 mm的點(diǎn)蝕、麻點(diǎn)及裂紋進(jìn)行打磨，打磨后按JB/T 4730.5—2005進(jìn)行100%滲透檢驗(yàn)，Ⅰ級(jí)合格；探傷后按焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，最后打磨補(bǔ)焊處與筒體、封頭內(nèi)部，應(yīng)齊平；最后再次100%滲透檢驗(yàn)，Ⅰ級(jí)合格。

(3) 焊接方法：GTAW；焊材：25.22.2LMn，Φ2.0 mm；焊接電流：DCEN，90～110 A；焊接電壓：10～13 V；焊接速度：4～8 cm/min；焊工資格：X1/Y1/Z1；焊接工藝評定號(hào)：3N200；預(yù)熱溫度：≥15 ℃；道間溫度≤100 ℃。

收稿日期(2015- 10- 13)