李曉威 李 尤

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.吉林省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心 長(zhǎng)春 130000）

當(dāng)前在壓力容器設(shè)備的定期檢驗(yàn)中，測(cè)厚檢驗(yàn)都是抽查檢驗(yàn)，按TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，測(cè)厚抽查部位主要是液體波動(dòng)部位；物料進(jìn)口、流動(dòng)轉(zhuǎn)向、截面突變等易受沖蝕的部位；制造成型時(shí)壁厚減薄及使用中易變形磨損的部位；接管部位及宏觀發(fā)現(xiàn)可疑部位進(jìn)行抽查。對(duì)于小型設(shè)備及內(nèi)構(gòu)件簡(jiǎn)單的設(shè)備，液面波動(dòng)及進(jìn)出料口等部位都方便查找，但是對(duì)于塔類設(shè)備，由于內(nèi)構(gòu)件、連接管道眾多，內(nèi)部工況相對(duì)較復(fù)雜?？赡馨l(fā)生減薄部位也較多。特別是對(duì)于只能外部檢驗(yàn)的塔類，很難保證減薄部位具備外部平臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)，即使內(nèi)部檢驗(yàn)，也不能保證內(nèi)部塔盤完全拆除已達(dá)到全面厚度抽查檢驗(yàn)的需要。所以如何保證測(cè)厚抽查可以覆蓋所有的減薄風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如何平衡檢驗(yàn)成本與風(fēng)險(xiǎn)水平之間的關(guān)系，如何才能制定更加有效的檢驗(yàn)方案等問(wèn)題都是檢驗(yàn)中需要面對(duì)和考慮的。

某煤化工企業(yè)脫氨塔在定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)塔壁部分位置減薄嚴(yán)重。由于本次檢驗(yàn)是外部檢驗(yàn)。無(wú)法判斷減薄的全部區(qū)域及減薄程度。固向使用單位申請(qǐng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行置換倒空，進(jìn)行內(nèi)部擴(kuò)檢以評(píng)估設(shè)備的整體減薄情況。為保障裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少今后發(fā)生相同的事故，需對(duì)該塔的減薄問(wèn)題進(jìn)行分析，找出原因，并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 脫氨塔減薄情況

脫氨塔自2009年11月投用，在2019年4月的定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)二層平臺(tái)上東南位置減薄異常，該塔公稱壁厚14mm，測(cè)厚位置最小厚度到了6.9mm，腐蝕速率達(dá)到了0.75mm/年，已經(jīng)嚴(yán)重超出了正常腐蝕速率0.1mm/年。同時(shí)根據(jù)設(shè)備員反饋情況，該裝置是備用裝置，只有在主裝置出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)才會(huì)臨時(shí)啟用，一年運(yùn)行時(shí)間只有3個(gè)月左右。折算下來(lái)腐蝕速率已經(jīng)超過(guò)1mm/年。

2 脫氨塔參數(shù)

脫氨塔參數(shù)為：規(guī)格DN2400×14×32950mm，材質(zhì)為Q245R，腐蝕裕量為6mm。

操作參數(shù)：設(shè)計(jì)溫度165℃，工作溫度144℃；設(shè)計(jì)壓力0.5MPa，工作壓力0.45/0.25MPa；操作介質(zhì)為脫硫水、氨氣、凈化水。

3 脫氨塔的檢驗(yàn)分析

3.1 脫氨塔的內(nèi)檢情況匯總

為了摸清脫氨塔整體減薄情況，對(duì)脫氨塔進(jìn)行了內(nèi)部擴(kuò)檢。通過(guò)內(nèi)部擴(kuò)檢發(fā)現(xiàn)。脫氨塔在降液板、液封盤與塔壁形成的小半圓形區(qū)域內(nèi)都存在的嚴(yán)重的減薄的情況，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。且越下層塔盤所對(duì)應(yīng)的小半圓區(qū)域減薄越嚴(yán)重。測(cè)厚最小值達(dá)到了5.5mm。同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)的焊縫進(jìn)行了熒光MT抽檢，未見(jiàn)表面裂紋缺陷。

圖1 存液區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖）

圖2 存液區(qū)照片（俯視圖）

在塔底的內(nèi)部檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)塔下部氨氣進(jìn)氣管道正對(duì)塔壁處腐蝕減薄嚴(yán)重，雖然為防沖蝕進(jìn)行了貼板及擋板防護(hù)，但貼板設(shè)置未能對(duì)沖蝕部位進(jìn)行完全的覆蓋，導(dǎo)致貼板的東偏北側(cè)邊緣也發(fā)生了明顯的腐蝕減薄，厚度最小值為7.0mm。位置見(jiàn)圖3圈內(nèi)。

圖3 塔內(nèi)氨氣進(jìn)氣管道對(duì)塔壁的腐蝕減薄

3.2 脫氨塔減薄分析

●3.2.1 進(jìn)氣孔沖蝕

經(jīng)與設(shè)備管理人員了解，塔下部氨氣進(jìn)氣管道正對(duì)區(qū)域的沖蝕問(wèn)題之前在使用中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為此特意在進(jìn)氣管道內(nèi)設(shè)置限流管筒，同時(shí)在進(jìn)氣管道對(duì)面設(shè)置了防沖擋板并對(duì)減薄部位進(jìn)行了貼板處理。從圖2也可以看到，限流管筒限制了進(jìn)氣流向，防沖蝕貼板基本覆蓋了管筒下方的大部分沖蝕區(qū)域。但是氨氣進(jìn)氣以一定的流速進(jìn)入到塔內(nèi)，碰到防沖貼板后會(huì)反彈向四周擴(kuò)散，而貼板東偏北區(qū)域由于未進(jìn)行貼板處理且未設(shè)置防沖擋板，發(fā)生了氨腐蝕。腐蝕形貌見(jiàn)圖4。

圖4 塔下部氨進(jìn)氣形成的腐蝕形貌

進(jìn)氣氨氣以一定的速度進(jìn)入塔內(nèi)，碰到擋板后向四周擴(kuò)散。在擴(kuò)散的過(guò)程中，速度降低，同時(shí)碰到塔壁后溫度有所下降，氨氣、硫化氫與水蒸氣及雜質(zhì)等在塔壁局部形成硫氫化銨水溶液，由于塔的運(yùn)行溫度較高（操作溫度144℃）。會(huì)造成硫氫化銨的局部濃縮，加劇對(duì)塔壁的腐蝕。由于東北側(cè)非直接沖刷區(qū)域，氣體在直接裝置貼板反彈到這里速度已經(jīng)降低了很多，會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域的硫氫化銨結(jié)垢，形成嚴(yán)重的垢下腐蝕。

從腐蝕形貌可以看出，形成了許多腐蝕坑，同時(shí)表面也有很多腐蝕垢。由于垢在鋼鐵表面不同的區(qū)域覆蓋度不同，不同覆蓋度的區(qū)域之間會(huì)形成具有很強(qiáng)的自催化特性的腐蝕電偶，同時(shí)，垢層表面與設(shè)備表面的接觸不緊密，易形成膜下缺氧區(qū)，會(huì)和周圍的富氧區(qū)形成氧濃度差電池，膜下金屬因缺氧電位較負(fù)，腐蝕速率加快[1]。同時(shí)進(jìn)氣介質(zhì)還有硫化氫、氮、氧、水蒸氣及一些其他雜質(zhì)。氨氣與硫化氫很容易反應(yīng)生成硫氫化銨，其溶液具有很強(qiáng)的腐蝕性，可導(dǎo)致碳鋼設(shè)備的迅速腐蝕。當(dāng)其中含有氰化物、氮氧等雜質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致腐蝕加劇。由介質(zhì)及形貌看，塔下部的腐蝕是酸性水結(jié)垢形成垢下腐蝕造成的。

●3.2.2 降液板處的減薄分析

降液板處的減薄是本次檢驗(yàn)最先發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。最初根據(jù)使用單位檢修安排，制定的檢驗(yàn)方案是外部檢驗(yàn)，在外部測(cè)厚的時(shí)候發(fā)現(xiàn)此處厚度異常，實(shí)測(cè)最小厚度只有7.1mm。初步分析可能是減薄或者分層。進(jìn)行超聲復(fù)驗(yàn)，排除分層的可能性。由于發(fā)現(xiàn)異常情況，向廠里反映需要對(duì)整個(gè)塔進(jìn)行全面的內(nèi)部檢驗(yàn)。廠里根據(jù)情況緊急對(duì)塔進(jìn)行排空置換。

塔內(nèi)塔盤部分拆除，對(duì)外部檢測(cè)發(fā)現(xiàn)減薄區(qū)域進(jìn)行了宏觀檢查及測(cè)厚排查，發(fā)現(xiàn)減薄區(qū)域正好位于液封盤、降液板與塔壁圍城的小半圓形區(qū)域內(nèi)（見(jiàn)圖1、圖2）。塔頂留下來(lái)的脫硫水與從塔下進(jìn)來(lái)的含雜質(zhì)的氨氣充分反應(yīng)，變成攜帶有硫、氨等雜質(zhì)的脫硫水，順著塔盤留下，為使反應(yīng)充分進(jìn)行并降低液體的下行流速，設(shè)置了降液板與液封盤。在降液板、液封盤與塔壁圍城的區(qū)域內(nèi)，會(huì)形成一個(gè)臨時(shí)的存液處。每層塔盤設(shè)置有一個(gè)存液處，正好是沿著塔軸從上至下一南一北分布排列下來(lái)的，而發(fā)生減薄的部位正好位于存液處內(nèi)。從降液板設(shè)計(jì)上可以看到，在降液板下部有一個(gè)折邊，這就導(dǎo)致流下來(lái)的液體會(huì)順著折邊沖向塔壁，兩邊距離塔壁較近，會(huì)對(duì)塔壁造成直接的沖刷，中間距離塔壁較遠(yuǎn)，沖刷較小。減薄量隨著降液板與塔壁距離的減小而增大。沖刷部位高度位于距離液封盤上方20cm～40cm處。掌握了這個(gè)規(guī)律后，筆者對(duì)塔內(nèi)所有的存液部位沿著塔盤從上至下進(jìn)行了全面的測(cè)厚排查及熒光MT抽查。

測(cè)厚部位最小值見(jiàn)表1。本塔共設(shè)置了30層塔盤，從整體測(cè)厚數(shù)據(jù)看，發(fā)生明顯減薄的位置是從第18層塔盤開(kāi)始。從開(kāi)始減薄塔盤開(kāi)始，從上至下共計(jì)有13層塔盤，13處存液處。分別統(tǒng)計(jì)了小半圓區(qū)域液面波動(dòng)部位的最小值。分為三個(gè)區(qū)域，降液板與塔盤距離較近的東西兩處區(qū)域和中間距離較遠(yuǎn)的中部區(qū)域。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為折線圖（見(jiàn)圖5，其中橫坐標(biāo)為塔盤編號(hào)，從上至下，縱坐標(biāo)為厚度值），可以明顯看出越往塔下部，減薄量越大。這也與脫硫水中硫、氨等腐蝕介質(zhì)濃度上升，腐蝕速率增大密切相關(guān)。

表1 存液區(qū)測(cè)厚值匯總

圖5 測(cè)厚統(tǒng)計(jì)折線圖

從減薄部位的宏觀形貌看（見(jiàn)圖6），表面未見(jiàn)明顯的腐蝕坑，也沒(méi)有明顯的腐蝕垢。這是因?yàn)檫@些存液處的液體不是一直存放這里，而是流動(dòng)的，且流速較大，達(dá)到足以使腐蝕垢無(wú)法附著在塔壁上[2]。經(jīng)與使用單位設(shè)備管理員了解情況。此塔當(dāng)初設(shè)計(jì)的塔徑與原有工況的處理量是匹配的，現(xiàn)在隨著工藝的改進(jìn)，脫氨塔處理量增加了25%，已經(jīng)超出了原有的設(shè)計(jì)承載能力，導(dǎo)致流量增大，流速也相應(yīng)增大。這就造成了塔內(nèi)沖蝕的加劇。雖然當(dāng)初塔設(shè)計(jì)給了6mm的腐蝕裕量。但由于液體流速已經(jīng)超過(guò)了預(yù)期，腐蝕裕量已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的運(yùn)行工況。同時(shí)，脫硫水中含有硫、氨等雜質(zhì)，會(huì)形成酸性水腐蝕，脫硫水的pH監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，pH值始終保持在10～11的堿性范圍內(nèi)，這就形成了酸性水腐蝕（堿性）的腐蝕機(jī)理[3]。再疊加一定流速的沖刷，對(duì)碳鋼的腐蝕速率是相當(dāng)大的。

圖6 存液處減薄位置宏觀形貌

4 結(jié)論

從整體的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及從廠里得到的設(shè)備參數(shù)、使用工況及介質(zhì)、流速、pH值等相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到脫氨塔減薄的原因主要為以下幾點(diǎn)。

1）塔下部進(jìn)氣孔所對(duì)塔壁減薄是硫氫化銨垢下腐蝕造成的。進(jìn)氣在撞擊到對(duì)面的防沖板后會(huì)向四周擴(kuò)散，同時(shí)溫度會(huì)降低。在沒(méi)有防護(hù)貼板的塔壁凝聚形成硫氫化銨腐蝕垢造成垢下腐蝕減薄。

2）塔盤存液處的腐蝕減薄主要是由于脫硫水流速過(guò)大造成的沖蝕疊加酸性水腐蝕（堿式）形成的。越往下層塔盤，隨著脫硫水中硫、氨等腐蝕介質(zhì)濃度增大，腐蝕速率也增大。形成從上至下的減薄量逐漸增大的情況。

3）隨著工藝改進(jìn)，脫氨塔處理量增大25%，造成進(jìn)液量增大，塔內(nèi)液體流速增大，這是導(dǎo)致近塔的腐蝕速率異常的根本原因。

5 處理措施及改進(jìn)

1）針對(duì)下部進(jìn)氣相的垢下腐蝕，是由于貼板不全造成。將東北側(cè)腐蝕區(qū)重新處理并貼板可對(duì)塔壁進(jìn)行保護(hù)。

2）針對(duì)塔盤存液處的腐蝕及沖蝕情況，主要是液體流速過(guò)大及液體中腐蝕相濃度過(guò)大造成。根據(jù)工藝調(diào)節(jié)進(jìn)液相流速。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在碳鋼中流速需控制在6m/s以內(nèi)，越小越好[4]。同時(shí)，控制脫硫水的pH值，當(dāng)前pH值為10～11，偏堿性，在堿性環(huán)境中反而增大了酸性水腐蝕（堿式）的腐蝕速率。建議調(diào)節(jié)脫硫水pH值至中性，在7左右?？山档透g速率。

3）降液板下部的折邊本是為了緩流，減少液體流速并降低波動(dòng)，但是卻造成液體對(duì)塔壁的直接沖刷。建議將沖蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行貼板或整體材質(zhì)升級(jí)。同時(shí)需請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位對(duì)本次檢驗(yàn)減薄后的塔的強(qiáng)度及穩(wěn)定性等進(jìn)行重新復(fù)核以確定該設(shè)備整體安全性。

4）如果使用單位還需按照目前的工藝處理量工況運(yùn)行，建議請(qǐng)相關(guān)設(shè)計(jì)單位就本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)滿足當(dāng)前處理量工況的塔以滿足裝置運(yùn)行的需要。同時(shí)對(duì)易產(chǎn)生沖蝕的部位提前進(jìn)行相關(guān)的防沖蝕設(shè)計(jì)。

6 思考

1）塔類設(shè)備測(cè)厚檢驗(yàn)的有效覆蓋性。通常檢驗(yàn)中，對(duì)于設(shè)備方案的制定都是依據(jù)該設(shè)備的損傷機(jī)理及該設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況就易發(fā)生失效的部位進(jìn)行宏觀、厚度、表面及埋藏缺陷抽查檢測(cè)。表面和無(wú)損埋藏缺陷檢測(cè)通常會(huì)有一個(gè)比例。而測(cè)厚檢測(cè)是無(wú)固定比例的。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，測(cè)厚抽查部位主要是液體波動(dòng)部位；物料進(jìn)口、流動(dòng)轉(zhuǎn)向、截面突變等易受沖蝕的部位；制造成型時(shí)壁厚減薄及使用中易變形磨損的部位；接管部位及宏觀發(fā)現(xiàn)可疑部位。塔類設(shè)備不同于普通簡(jiǎn)單的單腔圓筒形容器。由于自身體積大、內(nèi)構(gòu)件多、接管多、內(nèi)部氣液兩相區(qū)域、液體波動(dòng)區(qū)域都很多且復(fù)雜，導(dǎo)致會(huì)發(fā)生腐蝕減薄區(qū)域也很多。這就需要在進(jìn)行塔類檢驗(yàn)前，制定檢驗(yàn)方案和進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)的時(shí)候要仔細(xì)了解塔類的運(yùn)行工況。詳細(xì)分析塔類內(nèi)部介質(zhì)的運(yùn)行情況。這樣才能在制定檢驗(yàn)方案和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)更有針對(duì)性，更加有效地降低設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2）塔類設(shè)備外部平臺(tái)的設(shè)計(jì)。塔類設(shè)備由于較高，外部通常會(huì)設(shè)計(jì)多層平臺(tái)以滿足人孔、接管、相關(guān)儀器儀表的檢查及更換的需要。但是通常很少考慮外部檢驗(yàn)的需求。通過(guò)查閱相關(guān)的法規(guī)規(guī)范，很少會(huì)涉及外部平臺(tái)搭設(shè)考慮設(shè)備外部檢驗(yàn)的需求。例如本次檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時(shí)由于工藝原料無(wú)法倒空，只能進(jìn)行外部檢驗(yàn)。而很多易沖蝕的部位外部完全沒(méi)有平臺(tái)，外部搭架子需要考慮經(jīng)濟(jì)成本及安全因素。所以無(wú)法進(jìn)行相關(guān)測(cè)厚及無(wú)損檢驗(yàn)。這就產(chǎn)生了塔類外部平臺(tái)設(shè)計(jì)搭設(shè)與外部檢驗(yàn)需求的矛盾。在這種高度較高設(shè)備的外部平臺(tái)設(shè)計(jì)中，要同時(shí)兼顧設(shè)備日常維護(hù)及塔外部檢修檢驗(yàn)的需求是迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

3）檢驗(yàn)大數(shù)據(jù)共享。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)于是對(duì)設(shè)備一個(gè)完整運(yùn)行壽命情況的全面體檢。相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于使用單位、設(shè)計(jì)單位、制造安裝單位及監(jiān)察部門來(lái)說(shuō)都有很重要的參考價(jià)值?？梢詭椭髽I(yè)發(fā)現(xiàn)安全隱患，幫助設(shè)計(jì)單位、制造安裝單位發(fā)現(xiàn)缺陷以利于相應(yīng)的改進(jìn)措施，幫助監(jiān)察部門對(duì)使用單位的整體安全狀況有一個(gè)全面的了解。例如本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于設(shè)計(jì)單位根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)就有很重要的意義。而現(xiàn)在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通常只在使用單位、檢驗(yàn)單位及監(jiān)察部門使用，且利用率很低，沒(méi)有能全面地服務(wù)于特種設(shè)備安全。所以如何組建一個(gè)平臺(tái)，打通設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、檢驗(yàn)及監(jiān)察的各個(gè)鏈條。使得鏈條上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都可以共享并被其他節(jié)點(diǎn)使用。是以后特種設(shè)備安全發(fā)展需要解決的一個(gè)問(wèn)題也是一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)。