尿素合成塔外層板開裂原因分析

王春茂

(山東省特種設備檢驗研究院　山東濟南250101)

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尿素合成塔外層板開裂原因分析

王春茂

(山東省特種設備檢驗研究院山東濟南250101)

1多層包扎尿素合成塔基本情況

某尿素合成塔于2000年12月投用，容器內徑1 200 mm，容積23 m3，設計壓力21.56 MPa，設計溫度190 ℃。主體結構為多層包扎式結構，最內層為8 mm厚X2CrNiMo18143Mod材質內襯，向外為6 mm厚Q235材質的盲板層，然后是12 mm厚16MnR材質第1層層板，再向外為單層6 mm厚15MnVRc材質的多層層板(共14層)，筒節總厚度110 mm。尿素合成塔多層結構示意見圖1。

圖1　尿素合成塔多層結構示意

2尿素合成塔檢驗方案及發現的問題

尿素合成塔屬于高溫、高壓、強腐蝕工況，雖然內襯為超低碳奧氏體不銹鋼的耐蝕性較好，但使用中不可避免地存在晶間腐蝕、冷凝腐蝕、應力腐蝕和均勻腐蝕等情況。特別是在操作過程中出現超溫、斷氧、硫化氫超標等情況時，鈍化膜受到破壞，腐蝕速度呈數倍增加。由于外壁處于高壓工況，加之氮肥企業空氣、檢漏蒸汽冷凝液、跑冒滴漏等多種情況都會形成應力腐蝕環境，外層板開裂也是威脅尿素合成塔安全的重大安全隱患。針對以上情況，尿素合成塔檢驗方案中采用內部滲透檢測、超聲測厚、涂層測厚為主的常規檢測方式，外壁以磁粉檢測為主；必要時，可采用聲發射檢測對埋藏缺陷等進行整體安全評估。

內襯檢測時發現從下向上數第5環焊縫有整圈溝槽腐蝕，其余部位發現點蝕等缺陷約60處。外部檢測時發現外表面從下向上數第3環焊縫下側東面最外層板開裂，開裂長度超過800 mm；該筒節縱縫中部有一處長150 mm裂紋。對外層板開裂區域拆除第1層層板1 000×400 mm區域，發現第2層檢漏孔周圍區域存在白色結晶物，而第2層板左側裂紋由左向右逐漸變細，向上延伸至第3環焊縫；右側裂紋起源于第3環焊縫，且由右向左逐漸變細，并貫穿層板縱焊縫；裂紋一直裂穿4層層板，靠近第3環焊縫位置裂紋裂穿7層層板，環焊縫刨開長240 mm、寬48 mm、深55 mm后，滲透檢測裂紋消除。

3原因分析

尿素合成塔內部腐蝕主要是不銹鋼內襯焊縫晶間貧鉻耐蝕性變差，在高溫尿素氨基甲酸銨溶液強腐蝕性下導致腐蝕。本次檢驗內部缺陷都為常規缺陷，故未做進一步分析，現重點對外層板開裂原因進行分析和研究。

3.1化學成分分析

對尿素合成塔外層板進行取樣，并做化學成分分析(見表1)。除S元素的含量超出標準要求外，其余各元素含量未見明顯異常。

表1　外層板化學成分分析數據(質量分數)　%

3.2力學性能測試

從尿素合成塔外層板取2個拉伸試樣，試驗結果見表2。

表2　力學性能測試結果

由表2可知，2個拉伸試樣的屈服強度、斷后伸長率和抗拉強度都滿足相應標準的要求。

3.3金相檢測

對尿素合成塔外層板平行軋制方向及垂直軋制方向2個部位取樣進行金相檢測，外層板金相組織示意見圖2。

(a)平行軋制

(b)垂直軋制圖2　外層板金相組織示意

由圖2可知：外層板金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體在鐵素體中均勻分布，沒有其他相的出現；對其進行晶粒度評級，晶粒度為9級。

3.4掃描電鏡分析

取斷口進行掃描電鏡斷口分析，斷口顏色較灰暗，部分地方呈顆粒狀，斷口處有韌窩出現，為沿晶斷裂。在韌窩邊緣還有分叉的小裂紋出現，在部分斷口處殘留有腐蝕產物，并呈現解理狀，為穿晶斷裂。

3.5能譜分析

對斷口處腐蝕產物進行能譜分析(見圖3)，腐蝕產物中含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素，可能造成尿素合成塔外層板的應力腐蝕開裂。

圖3　斷口處腐蝕產物能譜分析

3.6水質分析

對6個月內檢漏蒸汽用脫鹽水化驗結果進行了統計，發現部分脫鹽水氯離子指標偏高：《尿素技術規程》規定ρ(Cl-)≤5 mg/L，然而化驗結果中>5 mg/L的占26．62%、>6 mg/L的占13.38%。

綜上所述，該臺尿素合成塔外層板開裂主要是由于檢漏蒸汽不純，由尿素合成塔檢漏孔進入層板的檢漏蒸汽在層板之間產生凝聚，長時間濃縮形成含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素的腐蝕性產物，對層板形成腐蝕；同時，外層板15MnVRc材質的力學性能抗拉強度偏高，材料的應力腐蝕敏感性增高，最終導致外層板應力腐蝕開裂。

4處理措施

對于內襯腐蝕坑、孔、溝槽等缺陷以焊補為主，即可修復。對于層板裂紋，由于其開裂層數較多、深度較大，且塔體各個筒節都使用同一來源檢漏蒸汽，都具備了該應力腐蝕環境，只是程度輕重不同，不排除其他筒節內部層板也存在開裂的較大可能性。為了安全起見，該臺尿素合成塔定為5級，應予以報廢停用。

5結語

(1) 對于尿素合成塔的檢驗不要局限于對具有強腐蝕介質的內部檢測，外部強度層的檢測同樣不可忽視。

(2) 對尿素合成塔使用企業而言，必須重視檢漏蒸汽的純度，最好采用更為清潔的氮氣等介質作為檢漏載體，應杜絕筒體層板間產生應力腐蝕的環境。

(3) 尿素合成塔定期檢驗只是針對停車時狀況的一個評估，保障尿素合成塔的安全要從使用做起，加強巡檢和工藝控制才是安全之本。

(收稿日期2015-11-19)