高壓甲銨洗滌器防爆筒體破裂原因分析及預防措施

石新光

(海洋石油富島有限公司 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥二部尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦公司的改進型二氧化碳汽提工藝，尿素生產能力為2 700 t/d，于2003年9月建成投產。高壓甲銨洗滌器是尿素裝置高壓系統4臺設備之一，其作用是將合成塔氣相中的氨和二氧化碳回收以后送回高壓系統,并將吸收后的尾氣送至0.4 MPa吸收系統再次吸收后排入大氣。高壓甲銨洗滌器的運行狀況直接影響高壓系統和低壓系統的運行情況和系統消耗, 也事關尿素裝置的安全運行。尿素裝置自投產以來，高壓甲銨洗滌器防爆筒體先后發生2次破裂，其破裂形式和破裂原因分析介紹如下，以期從工藝操作上消除由于高壓甲銨洗滌器筒體事故對尿素裝置安全運行的影響。

1 結構及工作原理

如圖1所示，高壓甲銨洗滌器主要由上部精餾吸收段、中部防爆空間、下部浸沒式列管冷凝器和底部氣體分布器組成。

圖1 高壓甲銨洗滌器結構示意

正常生產時，來自合成塔的氣相經防爆空間到達高壓甲銨洗滌器的底部，與從頂部流下的甲銨溶液混合，氣液相混合物經浸沒式列管冷凝器的列管上升，氣相被吸收，液相通過溢流堰流出并經噴射泵返回高壓系統，未冷凝的氣相被高壓甲銨泵送來的甲銨液進一步吸收，幾乎所有的氨和二氧化碳被冷凝，尾氣經0.4 MPa吸收塔吸收后排入大氣，冷凝產生的熱量被高壓調溫水帶走。為了減少可能發生的爆炸的危害性，填料床設置1塊防爆板并被安裝成球形。出合成塔的氣相在進入高壓洗滌器前先經過該球形防爆板，如果發生爆炸，其可作為緩沖層，以保護設備不被損壞。

2 防爆筒體破裂經過及原因分析

2.1 事故一

2.1.1 事故經過

2012年4月30日05：30，氨合成裝置合成氣壓縮機出口安全閥起跳未能回座，由于蒸汽供應緊張，尿素裝置于05：33緊急封塔停車。在處理過程中，主控蒸汽操作反應滯后，蒸發尿液仍帶負荷循環，致使高壓調溫水溫度最低降至92 ℃，此時高壓甲銨洗滌器內部已出現結晶，走水確認過程中操作人員未特別關注參數的變化。5月1日15：51尿素裝置投料后，發現工況異常，0.4 MPa吸收塔安全閥起跳，系統再次封塔。隨后又經過2次投料，均無法正常投產，遂決定停車搶修。5月2日18：30打開高壓甲銨洗滌器人孔，發現筒體已嚴重變形(圖2)，焊縫撕裂長度達300 mm(圖3)。在對內部筒體進行整體更換后，5月9日04：08尿素裝置全系統恢復生產。

圖2 變形后的防爆筒體

圖3 防爆筒體焊縫撕裂損壞示意

2.1.2 原因分析

(1)尿素裝置停車時，對蒸汽管網的操作嚴重滯后，高壓調溫水溫度低于100 ℃持續了24 min，是造成高壓甲銨洗滌器列管和中心降液管堵塞的直接原因。

(2)當列管和中心管被堵塞后，防爆筒體外側與來自合成塔的高壓氣相連通，而防爆筒體內側與低壓系統連通，并通過下液管與高壓噴射器吸氣室相連，在筒體外側高壓壓力和筒體內側高壓噴射器抽吸作用下，防爆筒體內外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內側變形直至被撕裂。

(3)尿素裝置重新投料后，工況參數已正常，但沒有發現高壓甲銨洗滌器列管及中心降液管出現結晶堵塞，未立即停車處理，后又經過2次投料才意識到高壓甲銨洗滌器出現結晶堵塞。

(4)高壓甲銨洗滌器出液管線上的液位計長期無指示，封塔走水確認和投料前的充液完全靠操作經驗，造成各級人員未能準確判斷出設備是否出現堵塞。

2.2 事故二

2.2.1 事故經過

2018年1月10日10：48，因儀表更換卡件，導致氨合成裝置聯鎖跳車，尿素裝置緊急封塔停車；10：48壓縮機緊急停車，高壓系統封塔；10：49停氨泵；11：06高壓甲銨洗滌器開始走水置換，11：31停車走水；11日20：25啟動高壓沖洗水泵向高壓系統各排放點打水進行投料前檢查，以確認是否暢通；22：18開始向高壓甲銨洗滌器加水；22：28全開高壓甲銨洗滌器的尾氣排放閥(HV3031)；22：31啟動氨泵向高壓系統輸送液氨；22：37投二氧化碳，投料后發現高壓調溫水一直沒有出現溫差；23：02合成塔出料負荷為67%；23：03發現氣相循環管線法蘭溫度偏低，可能存在堵塞問題，故對高壓甲銨洗滌器底部打水，高壓沖洗水泵出口壓力表(PIC3288)壓力未下降；23：18將高壓調溫水溫度提至144 ℃，對高壓甲銨洗滌器換熱列管進行熱洗；12日01：30封塔停車；經沖洗、檢查、確認后，06：12再次投料，但高壓調溫水始終無溫差，初步判斷為高壓甲銨洗滌器筒體破裂，決定排塔檢修；13日13：00清理出304C填料層后，發現防爆筒體的防爆槽存在1條長度為48 cm的裂縫(圖4)。根據防爆筒體破裂受力方向分析，防爆筒體內發生了尾氣閃爆。

圖4 防爆筒體爆炸損壞示意

2.2.2 原因分析

(1)在封塔停車后，由于高壓系統壓力下降較快，將HV3031全關后仍有流量，認為HV3031存在內漏，在封塔期間將HV3031全部關閉，造成惰性氣體在高壓甲銨洗滌器內積累。

(2)向高壓甲銨洗滌器加水吸收了高壓系統的氨和二氧化碳后，造成惰氣中氫氣含量增加，使惰氣進入爆炸范圍。

(3)在系統投料前打開HV3031時，氣體高速流動產生靜電引發閃爆，筒體內部局部壓力急劇上升，造成防爆筒體上的防爆槽破裂。

3 防爆筒體破裂的預防措施

高壓甲銨洗滌器防爆筒體破裂一般發生在開停車階段和其他非正常生產狀態下，如短期停車、保溫保壓、打水沖洗防堵等，大體可分為外爆炸型(如事故二)和內壓型(如事故一)2種類型。外爆炸型是由于在高壓甲銨洗滌器防爆筒體內部有大量惰性氣體積存，在靜電、撞擊、加熱等因素作用下引起爆炸，導致防爆槽向外破裂或變形，屬于化學爆炸。內爆炸型是在列管和中心管出現堵塞后，因防爆筒體外側與合成塔高壓氣相連通，而防爆筒體內側與低壓系統連通并通過下液管與高壓噴射器吸氣室相連，在筒體外側高壓壓力和筒體內側高壓噴射器抽吸作用下，防爆筒體內外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內側變形，直至筒體被壓破，屬于物理爆炸。

為了防止高壓甲銨洗滌器在開停車階段和其他非正常生產狀態下出現防爆筒體破裂，不僅應避免高壓甲銨洗滌器中心降液管和列管出現堵塞，還應避免高壓甲銨洗滌器內的惰性氣體進入爆炸范圍，其具體防范措施如下。

(1)停車后，應及時對高壓甲銨洗滌器進行排放，并走水沖洗置換干凈。

(2)停車過程中須及時確認高壓調溫水去預蒸發加熱器的切斷閥被關閉，并打開高壓調溫水夾套蒸汽加熱閥，將高壓調溫水的溫度控制在130 ℃。

(3)停車過程中高壓甲銨洗滌器尾氣排放閥開度保持在5%，不能因為閥門內漏而將其關閉，停車期間每班應2次確認HV3031暢通，且HV3031的調節要求平穩、緩慢。

(4)保持0.4 MPa吸收塔尾氣排放閥有一定開度，防止閥門在自控狀態下關閉。

(5)在開車投料過程中，須注意高壓甲銨洗滌器參數的變化，特別是高壓調溫水溫差的變化，若無溫差須及時將物料退出系統并查找原因，切不可盲目繼續投料；不能增大HV3031的開度，防止高壓甲銨洗滌器泄壓后造成防爆筒體內外壓差增大而使其破裂。

(6)投料前向高壓甲銨洗滌器中加水不宜過早和過多，防止氣相中的氨被大量吸收后而使惰氣進入爆炸范圍，一般在投料前10～15 min加水，加水量控制在10～15 t/h。

(7)由于設計上高壓甲銨洗滌器走水并不能明顯確認其列管是否會出現結晶，為彌補缺陷，建議在高壓甲銨洗滌器的出口管線增設1只壓力表，根據合成塔與高壓甲銨洗滌器出口管線壓差來判斷高壓甲銨洗滌器列管和中心降液管是否出現堵塞。