尿素合成塔更換襯里及焊接技術

張俊青

(中化二建集團有限公司，山西太原 030021）

0 前言

尿素合成塔設備是國內最常見的帶有內襯里的化工設備之一，由于長期使用對內壁的耐腐層產生腐蝕，影響設備的正常運行和安全使用，但是設備的外殼體依然符合技術安全要求。針對這個問題，采用現場拆除舊襯里，再重新貼上一層新襯里，使設備恢復原有的技術要求，達到可以正常運行和安全使用的目地，這樣不僅縮短了生產停車周期，還能延長設備使用壽命，節約設備更換成本。在此以中海石油天野化工集團有限公司尿素裝置尿素合成塔更換襯里為例，具體論述襯里更換過程，并總結出施工經驗。

先將尿素合成塔從塔體從中間焊縫處切開，將上半塔體倒置使其開口向上，然后對上下兩個塔體進行舊襯里的拆除和新襯里更換。更換完畢且所有程序檢驗合格后將上半塔體回裝就位與下半塔體重新焊接并進行熱處理。整個過程在考慮質量和進度的前提下需要合理安排各項工作時間，保證各項工作緊密銜接。

1 方案選擇

1.1 設備概況

中海石油天野化工尿素裝置尿素合成塔是1993年制造，1996年投入運行，到2011年8月已經持續運行近16年。該設備從1996年運行至今，經歷次檢測發現，襯里因腐蝕已嚴重減薄，并威脅到正常生產，必須全部更換尿素合成塔的襯里。

尿素合成塔筒體單層結構如圖1所示，其規格為φ2 164 mm×98 mm×44 900 mm。筒體厚98 mm，材質為A737GRC。筒體襯里由上至下共22節，第1～4節：1802.5mm，第5節：1797.9mm，第6節：1900mm，第7～8節：1 802.5 mm，第9～22節：1 845 mm。筒體襯里材質為316L（mod），厚5mm。上、下封頭為球缺封頭，封頭厚55mm，R=1100mm，材質均為A737GRC。上、下封頭襯里的材質為316L（mod），厚5 mm。尿塔空重266 t，容積150.97 m3。新襯里排版見圖2。

為保證生產要求襯里更換工期確定為38天。

2.2 方案

2.2.1 方案簡介

目前國內常用的尿素合成塔更換襯里的方案有三種：

（1）整體拆除方案。將塔體整體拆除運回原廠進行襯里的重新更換。

（2）切割筒體環焊縫更換襯里方案。從合成塔中間切割原來的焊縫，將塔體分為兩段同時進行襯里的更換，襯里更換完畢之后將合成塔恢復。

（3）切割封頭更換襯里方案。切割合成塔頂部的封頭，通過頂部開口進行合成塔襯里的更換，更換完畢之后恢復頂部封頭。

2.2.2 方案對比

整體拆除方案更換周期很長，費用很高，因此不做考慮。只對切割筒體環焊縫更換襯里方案和切割封頭更換襯里方案進行對比，如表1所示。

表1 更換襯里方案對比

2.2.3 方案選定

通過對比兩種方案可以看出切割筒體環焊縫換襯里方案與切割封頭換襯里方案各有利弊。尿素合成塔本身沒有框架，無論采取哪種方案都需要搭建施工框架。由于施工工期為38天，工期較緊，因此選用切割筒體環焊縫施工方案。

3 施工簡述

3.1 舊襯里拆除

尿素合成塔共22節筒體，決定采取將尿塔從第六、七節筒體環焊縫（即第12、13節襯里環縫對應位置）處切割開。切割完畢后，由大吊車將塔體水平放置后拆除內部的塔盤和溢流管道。拆除完畢之后由吊車將上半塔體倒置吊入搭建的檢修框架之中，同時拆除上下塔體內的舊襯里。由于襯里更換工作精度要求較高，進入檢修框架要由兩臺經緯儀90°方位對塔體進行找正，在確保垂直度的前提下方可就位。

3.2 更換襯里

（1）更換襯里時，施工人員需要進入塔內進行襯里的安裝和焊接工作，進入塔內時需要使用吊筐，由框架頂部的電動葫蘆將吊筐送入塔內。

（2）為保證進度可以制作帶有固定裝置的吊筐，在確保吊筐結構穩定的前提下，在吊筐的上部和下部各增加4個頂絲和4個可調整的滑輪。每個吊筐上就有8個頂絲和8個可調整的滑輪。滑輪在吊筐升降時可以緊挨塔壁起到穩定升降的作用。

（3）當吊筐到達操作位置時，緊固頂絲將吊筐固定在操作位置。在施工時可以在一段塔體內同時固定多個操作吊筐，到達多處同時工作的立體施工效果，從而加快施工進度。

在更換襯里時考慮到碳鋼筒體在組對、焊接完后需要進行600℃±15℃的熱處理，而新襯里材料725LN奧氏體不銹鋼板在超過560℃時會發生金屬相析出，影響其材料的耐腐蝕性能。為解決這一問題，可以采取以下措施：

a.第一種方法——將中間兩襯里筒節改成三襯里筒節。第12、13節襯里長度均為1845mm，為避免新襯里與碳鋼筒體一起做熱處理，在貼襯安裝前可將原有的兩襯里筒節進行拆分，預留出一定寬度的碳鋼筒體熱處理區域，在碳鋼筒體組對、焊接、熱處理完畢后，最后再安裝預留的襯里筒節。

b.第二種方法——降低碳鋼筒體熱處理溫度，延長保溫時間：碳鋼筒體材質為20MnMoNi45，屬于ASME P-No.3組3材料，根據ASME相關標準，當不能按其規定進行焊后熱處理時，允許以較長保溫時間在較低溫能設定最高熱處理溫度，延長保溫時間的熱處理工藝是可行的。

襯里筒節二改三的優點是：有效避開了熱處理工藝對襯里材料的影響，更好地保護了襯里材料原有的耐腐蝕性。但缺點也很明顯，襯里二改三后，對接處環焊縫位置發生了變化，環焊縫數量增加使得這兩節襯里筒節獨立的檢漏通道被打亂。為了彌補這一影響，需對該處襯里的檢漏通道重新設置，開設新的襯里筒節檢漏通道。而在開設新的襯里筒節檢漏通道打磨、堆焊筒體耐腐蝕層時會出現十字交叉焊縫，影響其焊接質量。襯里筒節二改三是在塔體恢復完畢并熱處理完后在進行熱處理區域的襯里貼裝的，因此所需要的施工周期較長，影響施工進度。所以優先選擇降低碳鋼筒體處理溫度，延長保溫時間的方法。

3.3 酸洗鈍化

3.3.1 酸洗部位

酸洗總體分為三個部分：襯里板酸洗、人孔蓋酸洗、塔體環焊縫酸洗。3.3.2 酸洗順序

在滾完圓后進行襯里板酸洗，在塔下進行人孔蓋酸洗，環焊縫最后酸洗，酸洗鈍化結束后應對設備進行氨滲漏檢驗。

3.4 塔體恢復

（1）襯里更換完畢后將塔體上半段吊出框架水平放置，安裝溢流管線。

（2）在上半段塔體復位前，先對上、下塔口的坡口進行處理，形成焊接用的過渡層用于提高塔口對接時的可焊性，為保證焊接質量做準備。

（3）做好過渡層后，再用機加工工具按焊接工藝要求加工出成型坡口，要保證兩塔口的水平度。坡口堆焊前和機加工后表面進行100%MT檢驗，合格后方可進行下一步工作。

（4）上半段塔體復位吊裝組對時，設兩臺經緯儀以90°夾角方位測量尿素合成塔組對時的垂直度，垂直度控制在[H/1 000(<30 mm)，H為上半段塔體高度]的范圍內]。

（5）待垂直度符合要求后才能進行點固，預熱焊接。塔體焊接要24h連續進行。為了防止環境氣候對焊接質量的影響，需要在焊接工作開始前在塔體上安裝防雨圍裙。

（6）上半段塔體焊后先進行消氫處理，冷卻后再進行100%RT和20%UT檢驗。

（7）上半段塔體質量154 t，塔體焊接和熱處理時應充分考慮刮風下雨和上半段塔自身質量的影響。因此，在此項工作過程中需要大吊車一直處于工作狀態，給塔一個上升力不能松鉤，待熱處理完畢以后才能撤走大吊車。

4 施工環境

現場施工時要考慮季節因素，施工時間通常是高溫炎熱季節，要做好防暑降溫。由于更換襯里是在塔內進行的，所以要保證塔內的通風，具體做法是：在塔口上方向安裝兩部空調向塔內提供涼風。同時，在塔底向塔內提供工廠空氣的方式來改善工作環境，保證作業人員安全。

5 施工總結

尿素合成塔更換襯里施工前要選擇適合的切割方案，選擇切割方案時要以保證施工工期為前提，綜合考慮施工難度、施工環境、施工氣候。

在更換襯里時要考慮碳鋼筒體熱處理時對新換襯里的材質影響，根據現場的實際情況和施工難易程度在保證質量的前提下，選擇適合施工的措施來防止熱處理對新襯里材質的影響。

施工時合理安排施工順序，盡量把襯里的吊裝和組對工作安排在白天進行，晚上再進行襯里的焊接工作，從而確保施工進度。筒體的吊裝、組對、焊接擇日而定，盡量避免在刮風下雨的天氣情況下進行，以保證作業安全和焊接質量。

襯里焊接工藝的選定。襯里筒節組對焊接操作全為立焊，為了確保焊接質量，對縱焊縫采取氬弧焊+焊條電弧焊+氬弧焊的焊接工藝，對環焊縫采取氬弧焊+焊條電弧焊的焊接工藝。襯里焊縫焊接完畢后進行酸洗鈍化，再進行100%PT檢驗。水壓試驗后再做襯里的氨滲漏檢驗。

6 結論

中海石油天野尿素合成塔于2011年8月16日開始襯里更換工作，9月22日全部施工結束并投入運行。比原計劃工期提前3天完工。目前運行狀況良好。經實際檢驗該種襯里更換方法確實可行，從施工技術角度出發，質量、安全、工期有保證。為國內其他尿素裝置同類設備的檢修提供了經驗。