尿素高壓設備的腐蝕及防腐措施

宦月慶

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素設備腐蝕問題一直影響尿素工業的發展，尤其是尿素高壓圈設備在高溫高壓條件下，當多種化學物質共同作用時，設備腐蝕問題會更嚴重。國內尿素工作者對尿素高壓設備的腐蝕問題作了大量的分析[1-3]。筆者針對中國五環工程有限公司(以下簡稱中國五環)承接的某尿素項目高壓設備在檢修時發現的腐蝕問題，提出了防范措施。

1 尿素設備腐蝕的原因

1.1 尿素生產的主要反應

以合成法生產尿素的主要原料是氨和二氧化碳，在高溫高壓下進行如下化學反應[4]：

2NH3+CO2=NH2CONH2+H2O

在尿素合成反應中，上述反應是分兩步進行的，其化學反應式如下：

ΔH=-100.5kJ/mol

(反應條件：P=14.0MPa；t=167℃)

ΔH=+27.6kJ/mol(反應溫度t=180℃)

從上述化學反應式可看到：第一步是氨和二氧化碳生成氨基甲酸銨(如下簡稱甲銨)的反應，這是一個可逆的強放熱反應；第二步是甲銨脫水生成尿素的反應，這是一個微吸熱可逆反應。

1.2 尿素設備腐蝕機理

尿素系統產生腐蝕的機理一直是眾多尿素腐蝕研究學者關注的重要課題。雖然論點很多，見解存在差異，但普遍認為是由工藝過程的中間產物的化學腐蝕和在高溫高壓下介質的電化學腐蝕所致。

1.2.1中間產物的化學腐蝕

從上述反應式中可看出，尿素合成反應物中存在NH3、CO2、NH4COONH2、NH2CONH2和H2O，除此之外，還有微量的H2S、NH4CNO和HCNO等物質。而NH4COONH2、HN3、H2O、H2S、HCNO等物質，在高溫(>100℃)、高壓下，特別在共存時，有強烈的腐蝕作用。

1.2.2介質的電化學腐蝕

2 4臺尿素高壓設備內部腐蝕情況

由中國五環設計的15萬t/a尿素裝置搬遷改造項目，2014年1月正式投入生產，至今已安全穩定運行6年，其中，2015年12月進行了系統首次停車全面檢查，并于2018年底再次停車全面檢查，現對4臺尿素高壓設備腐蝕情況作介紹。

2.1 高壓冷凝反應器

人孔密封面為25-22-2材質，呈銀白色，光亮，有效密封面完好，密封面見圖1。管箱筒體襯里25-22-2材質，表面呈棕褐色，處于正常均勻腐蝕，局部有裂紋腐蝕(見圖2)，筒體襯里厚度為7.8～8.2mm，數據正常。換熱管管頭及與管板焊接接頭呈銀白色，光亮，處于正常均勻腐蝕狀態(見圖3)。球封頭開孔接管內壁腐蝕均勻，焊接接頭采用25-22-2堆焊，表面呈銀白色，腐蝕情況良好(見圖4)。

圖1 人孔密封面

圖2 管箱筒體局部裂紋腐蝕狀態

圖3 換熱管及焊接接頭腐蝕狀態

圖4 工藝接管內壁腐蝕狀態

2.2 二氧化碳汽提塔

人孔平蓋為25-22-2材質，人孔大蓋襯里表面呈棕褐色，耐腐蝕堆焊層局部腐蝕(腐蝕疏松)，管箱筒體襯里為25-22-2材質，呈棕褐色，均勻腐蝕(見圖5)，筒體襯里厚度為8.2～8.7mm，數據正常。氣相區襯里(封頭耐腐蝕堆焊層、管箱筒體襯里)表面有不致密的氣相垢層覆蓋，均處于正常均勻腐蝕狀態。封頭耐腐蝕堆焊層為25-22-2材質的帶極堆焊層，襯里焊縫呈銀白色，焊道較清晰，處于正常均勻腐蝕狀態。管板耐蝕堆焊層為25-22-2材質的帶極堆焊層，表面呈銀白色，處于正常均勻腐蝕狀態。分布器管頭呈棕褐色，局部腐蝕較嚴重(見圖6)。

圖5 管箱筒體腐蝕狀態

圖6 分布器管頭腐蝕狀態

2.3 高壓洗滌器

該設備襯里及其焊縫、列管及其角焊縫、內件及其連接焊縫處于正常均勻腐蝕狀態。球形封頭內耐蝕層為25-22-2材質的帶極堆焊層和手工堆焊層，氣相區表面有不致密的氣相垢層覆蓋；球形封頭的帶極堆焊層局部腐蝕(氣孔、腐蝕疏松)。

2.4 尿素合成塔

筒體襯里為25-22-2材質，呈棕褐色，表面稍粗糙，正常均勻腐蝕氣相區有不致密的氣相垢層覆蓋，液相區呈銀白色、光亮，焊道清晰，均處于正常均勻腐蝕狀態。上封頭帶極堆焊層表面有7處表面缺陷(腐蝕疏松)。下封頭耐蝕堆焊層為25-22-2材質的帶極堆焊層，處于液相區，表面呈銀白色、光亮，處于正常均勻腐蝕狀態。

3 防止高壓設備腐蝕的措施

根據尿素高壓設備腐蝕機理，影響設備腐蝕的因素主要有使用材料、介質溫度及其組成等方面。因此，可從以下幾個方面采取相應措施。

(1)設備選材。尿素高壓設備設計選材時，應根據腐蝕特征選用專用尿素級不銹鋼材料，耐腐蝕性強。從本項目尿素高壓設備選材來看，高壓尿素接管材質，一般采用X2CrNiMoN17133(mod)，高壓管內表面有磨蝕、不光滑，顏色為棕色，有腐蝕情況。人孔平蓋、管箱筒體、球封頭堆焊和筒體襯里為X1CrNiMoN25-22-2，腐蝕均勻，耐腐蝕性很好。

因此，在今后的尿素高壓設備設計中，高壓接管的尿素級不銹鋼選擇X1CrNiMoN25-22-2，以保證設備耐腐蝕性能一致，提高設備的使用壽命。

(2)制造過程中應嚴格把控質量，詳細檢查進口原材料的質量合格證書，并復驗。焊接中避免各種焊接缺陷，鐵素體含量≤3%。尿素級不銹鋼25-22-2的手工焊、帶極堆焊的焊接工藝評定必須通過尿素高壓設備標準規定的焊接工藝評定和焊工的考試資格認定。焊接工藝評定試件的晶間腐蝕試驗必須通過尿素高壓設備腐蝕試驗標準規定的合格指標。對于尿素高壓設備換熱管與管板手工焊接和堆焊、帶極自動堆焊必須遵循評定合格的焊接工藝和考試合格的焊工施焊。從汽提塔管箱襯里的局部腐蝕情況看，設備襯里的制造過程中應嚴格保護金屬表面，不得有劃傷、污染拆皺等損傷。

(3)系統開、停車方面。開車前可使用雙氧水或純氧在設備內表面形成一層致密的鈍化膜，起到耐腐蝕作用。停車封塔前可增加系統的含氧量，盡量減少裝置開停車次數，短停封塔時間不能超過24h。

(4)運行過程中防腐處理。嚴格控制設備操作溫度上限；保證系統穩定運行，定量連續加雙氧水或純氧防腐。提高系統的氨碳比，降低水碳比，嚴格控制氧含量≥0.6%～0.8%(體積分數)，保證尿素級不銹鋼材料鈍化膜，不受破壞。

4 結語

4臺高壓設備是尿素裝置生產的核心設備，較好地判斷設備腐蝕情況，并及時采取相應的措施進行防腐，不僅可以提高設備的使用壽命，保證尿素系統的穩定和長周期運行，還可以為檢修和維護提供可靠的依據。