尿素裝置中壓分解器換熱管泄漏原因分析及對策

李輝 陳兵（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

1 概述

中國石油塔里木油田石化分公司2640t/d尿素裝置采用意大利SNAM氨汽提工藝流程，是國內(nèi)目前陸上最大的單套尿素生產(chǎn)裝置。中壓分離器（V102）、中壓分解器（E102A/B）、中壓分解器液位槽（L102）是三合一設(shè)備，共有1446根換熱管，由國內(nèi)制造。2010年5月19日投料試車，至2011年4月發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)漏，嚴(yán)重影響裝置正常生產(chǎn)，被迫停車檢修。

2 事故現(xiàn)象描述

2010年5月19日，塔里木石化分公司大化肥項(xiàng)目順利投產(chǎn)，自2010年8月開始，尿素產(chǎn)品鎳含量檢測偶爾發(fā)現(xiàn)鎳含量超標(biāo)現(xiàn)象。

在2011年8月2日，由于發(fā)現(xiàn)E102換熱管漏，裝置被迫停車檢修，E102B解體檢查，發(fā)現(xiàn)下管板有6根換熱管堵塞并且換熱管被腐蝕殘?jiān)氯^多（見圖1），對堵塞物進(jìn)行清理后，安排檢測單位進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)部分換熱管已腐蝕破裂（見圖2），對全部1446根換熱管內(nèi)窺鏡檢查后，共發(fā)現(xiàn)36根換熱管腐蝕破裂。

之后從E102B底部進(jìn)行渦流缺陷檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腐蝕破裂的、外部缺陷達(dá)C/D級（C級，外部損傷達(dá)壁厚的60%-80%；D級，外部損傷達(dá)壁厚的80%-100%）、剩余平均壁厚≤1.25mm及內(nèi)部有缺陷的換熱管共242根，占總管數(shù)1446的16.74%。對這些換熱管實(shí)施堵管處理后，對E102B進(jìn)行水壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)E102A的壓力也上升，說明A和B共用的換熱管有貫通傷，持續(xù)試驗(yàn)，壓力1.8MPa，穩(wěn)壓30分鐘，未發(fā)現(xiàn)滲漏。開車后，負(fù)荷逐漸加滿，運(yùn)行正常。

201 1年1 2月6日，發(fā)現(xiàn)V110蒸汽冷凝液電導(dǎo)開始上升，最大時達(dá)到400 uS/cm。為了保證連續(xù)生產(chǎn)，外接管線將E102B換熱后的蒸汽冷凝液直接外排，去V110蒸汽冷凝液電導(dǎo)下降為30 uS/cm。

201 1年1 2月28日，為了避免設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕，E102再次解體檢查，進(jìn)行了1204根換熱管的渦流檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)又有換熱管破裂，最終對腐蝕破裂的、外部缺陷達(dá)C/D級、剩余平均壁厚≤1.45mm及內(nèi)部有缺陷的換熱管共126根進(jìn)行了堵管處理，現(xiàn)共堵管368根，占總管數(shù)1446的25.45%。開車后至今無泄漏，但由于堵管太多，裝置運(yùn)行負(fù)荷91%。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及制造特點(diǎn)、難點(diǎn)

E102A/B為整體換熱器，為上下兩部分，有1446根換熱管，規(guī)格為Ф38*2.5*9000，材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2，由中間雙層管板分開，管板為16Mn三級鍛件，厚度85mm。雙層管板與換熱管采用強(qiáng)度脹接密封，保證密封性能和抗拉脫強(qiáng)度。由于E102A殼側(cè)用0.55MPa、155℃的低壓蒸汽對介質(zhì)加熱，而E102B殼側(cè)用2.17MPa、219℃的蒸汽冷凝液對介質(zhì)加熱，A和B加熱介質(zhì)的壓差較大，中間管板的密封性至關(guān)重要，如密封不佳，將導(dǎo)致加熱介質(zhì)由壓力高端向壓力低端泄漏，影響正常工藝操作。這也是該設(shè)備的制造難點(diǎn)。

4 原因分析

4.1 換熱管材質(zhì)

按照專利商意大利SNAM公司的工藝包文件要求，該設(shè)備換熱管材質(zhì)為316L不銹鋼（相當(dāng)于國內(nèi)不銹鋼00Cr17Ni14Mo2），專利商同時要求該換熱管化學(xué)成份必須保證以下最小含量：Cr17%，Ni12.5%，Mo2.5%，但由于設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)圖紙沒有注明換熱管材質(zhì)的上述要求，只說明材料為00Cr17Ni14Mo2，制造商按照圖紙要求采購材料，質(zhì)量證明書上顯示，該批換熱管主要化學(xué)成分為：Cr16.4%，Ni12.1%，Mo2.06%，雖然符合《GB/T12771-2000流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》的要求，但沒有滿足專利商對材質(zhì)的要求。

4.2 試車過程存在超溫現(xiàn)象

由于新員工開新裝置，處于磨合期，加上員工實(shí)習(xí)主要在CO2汽提法的裝置（沒有中壓分解器），對中壓設(shè)備的操作不熟悉，導(dǎo)致試車過程存在超溫現(xiàn)象,尤其是裝置開停車過程。如曾經(jīng)一次停車期間L102岀液溫度數(shù)小時達(dá)170℃以上（見圖3）。

介質(zhì)溫度對設(shè)備腐蝕的影響十分明顯，由于溫度的升高可以增加活化態(tài)和鈍化態(tài)的腐蝕速度，使不銹鋼的鈍化區(qū)變窄，加速了材質(zhì)的活化，提高了設(shè)備的腐蝕速率。

在165℃以下時，溫度變化對不銹鋼腐蝕的影響較小。但溫度在165—200℃時，腐蝕速率將增加3—4倍。操作溫度對設(shè)備腐蝕影響很大，當(dāng)操作溫度超過設(shè)計(jì)溫度，即使只有1——2℃，設(shè)備的腐蝕增加也非常明顯。

當(dāng)設(shè)備處于正常狀態(tài)時，生產(chǎn)出的尿素呈白色半透明狀。如果設(shè)備發(fā)生腐蝕，尿素顏色會根據(jù)腐蝕程度不同由不同的變化。設(shè)備腐蝕越嚴(yán)重，尿素顏色越深，其變化趨勢為：白色→淺黃色→紅棕色→棕褐色。2010年8月，有一段時間生產(chǎn)出的尿素為淺黃色和紅棕色，說明有設(shè)備的鈍化膜已被破壞或根本無法形成鈍化膜，設(shè)備完全處于活化加速腐蝕狀態(tài)。當(dāng)時尿素產(chǎn)品Ni含量達(dá)0.8ppm，及時安排化驗(yàn)按照流程分段取樣分析，結(jié)果如下：尿素合成塔0.09ppm，汽提塔0.09ppm，中壓分解器0.68ppm，低壓分解器0.73ppm，產(chǎn)品尿素0.8ppm。排除尿液被不斷提濃的影響，說明中壓分解器處于加倍腐蝕狀態(tài)。

4.3 制造缺陷

在設(shè)備制造過程中，制造廠曾反映該設(shè)備中間管板脹管后一試壓就漏，派技術(shù)人員會同設(shè)計(jì)院主要容器設(shè)計(jì)人員去制造廠，最后借助工業(yè)內(nèi)窺鏡發(fā)現(xiàn)1446根換熱管中有2根漏脹、13根管未滿脹，經(jīng)過補(bǔ)脹后試壓合格。但本應(yīng)一次脹接成型就保證不漏，被制造廠脹了6遍，導(dǎo)致?lián)Q熱管過脹處壁厚嚴(yán)重減薄，強(qiáng)度大為減弱，在腐蝕環(huán)境下更易泄漏。從堵漏后試壓發(fā)現(xiàn)E102A/B導(dǎo)通來分析，極可能是中間管板脹接處出現(xiàn)破裂。

4.4 換熱管堵塞影響

解體檢查時發(fā)現(xiàn)6根換熱管被堵塞，對堵塞物進(jìn)行分析化驗(yàn)后確認(rèn)是氨合成塔觸媒灰與腐蝕金屬物的混合物，該6根換熱管用內(nèi)窺鏡檢查全部破裂（可以看見相鄰的換熱管）。由于尿液被封閉在換熱管內(nèi)，鈍化空氣大量逸出，鈍化膜破壞嚴(yán)重，被殼側(cè)219℃的蒸汽冷凝液持續(xù)加熱，導(dǎo)致腐蝕加劇，最先破裂。

而該管破裂泄漏后，腐蝕介質(zhì)對相鄰換熱管外壁形成腐蝕環(huán)境，同時殼側(cè)溫度較高，導(dǎo)致相鄰管腐蝕速率加快（見圖4），可見相鄰換熱管外壁已被腐蝕得極不光滑。

4.5 沖刷的影響

由于E102B殼側(cè)蒸汽冷凝液入口沒有設(shè)計(jì)防沖板，2.17MPa的蒸汽冷凝液直接沖擊著靠近入口的換熱管，使換熱管劇烈振動，導(dǎo)致?lián)Q熱管穿過折流板處高頻振蕩，也會加快換熱管腐蝕。從檢測單位出具的渦流檢測需堵管分布圖來看，蒸汽冷凝液入口大量換熱管需要堵管。

5 對策措施

5.1 鑒于E102A/B堵管過多，嚴(yán)重影響裝置負(fù)荷，現(xiàn)全裝置負(fù)荷為91%，不能滿負(fù)荷運(yùn)行。現(xiàn)已選擇國內(nèi)著名壓力容器制造商重新制造新的設(shè)備，針對分析出的原因，與設(shè)計(jì)院充分溝通，新造設(shè)備采取了以下改進(jìn)；

5.1.1 按專利商SNAM要求，將原316L換熱管換為比專利商要求還高的316L mod材質(zhì)，提高材料的防腐蝕能力。

5.1.2 在E102B的蒸汽冷凝液入口增設(shè)防沖板，確保高溫冷凝液進(jìn)入時不對換熱管形成強(qiáng)烈沖擊。

5.1.3 在管板增設(shè)排水導(dǎo)淋，避免冬季停車時由于殼體內(nèi)積液排不干凈導(dǎo)致設(shè)備凍壞。

5.1.4 嚴(yán)格監(jiān)督設(shè)備制造質(zhì)量，選擇國內(nèi)最好的合肥通用所派設(shè)備監(jiān)造人員駐廠監(jiān)造，同時設(shè)置了換熱管材料到貨驗(yàn)收、換熱管與管板脹接、換熱管與管板焊接及水壓試驗(yàn)四個停檢點(diǎn)，確保每道工序質(zhì)量。重點(diǎn)控制脹接效果，保證以便成型。

5.2 優(yōu)化工藝操作，加強(qiáng)指標(biāo)考核。嚴(yán)格控制系統(tǒng)氧含量同時堅(jiān)決避免E102的超溫現(xiàn)象，尤其是在開停車期間，措施如下：

5.2.1 開車時按操作規(guī)程及時投用C02壓縮機(jī)K101入口鈍化空氣并投用鈍化空氣壓縮K102，確保第一時間提供充足的氧氣形成鈍化膜。

5.2.2 正常生產(chǎn)時，穩(wěn)定汽提塔出料量，嚴(yán)格控制L102出液溫度在設(shè)定值160℃以下，液位在40%-50%之間，防止長時間滿液，造成換熱管浸泡在高溫尿液中，加劇腐蝕。

5.2.3 封塔停車后，盡量將L102液位降至最低，同時打開中壓平衡管線防止尿液從C101倒壓回V102。若封塔時間較長，應(yīng)從汽提塔E101出液管線處加水對V102進(jìn)行走水稀釋清洗。

5.2.4 通過將V109來蒸汽冷凝液切至跨線、關(guān)閉增加蒸汽閥門TV1021等方法第一時間隔離E102A/B的加熱源，防止對E102A/B中不流動的無氧尿液持續(xù)加熱造成超高溫度引起腐蝕加劇現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5.2.5 堅(jiān)持和重點(diǎn)進(jìn)行氧含量與鎳含量常規(guī)分析，對設(shè)備的狀態(tài)變化做到第一時間了解掌握。

5.2.6 責(zé)任工程師組織相關(guān)崗位人員進(jìn)行操作培訓(xùn)，使操作人員了解工藝超溫對設(shè)備的危害的嚴(yán)重性，統(tǒng)一共識。同時對相關(guān)操作指標(biāo)實(shí)行嚴(yán)格考核。

6 效果驗(yàn)證

201 2年8 月新設(shè)備更換后，運(yùn)行至今，再沒有發(fā)生過尿素產(chǎn)品鎳含量超標(biāo)的情況，2014年檢修期間對E102B換熱管進(jìn)行了渦流檢查，未發(fā)現(xiàn)換熱管壁厚嚴(yán)重減薄的現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行良好。

[1]陳留栓主編.氨汽提尿素市場工藝培訓(xùn)教材.化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]尿素優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)與設(shè)備操控及維護(hù)使用手冊.北方工業(yè)出版社，2006.

[3]梁國斌，曹淑慧.尿素中壓分解器列管泄漏原因分析及對策.大氮肥，2002年第1期.