尿素氨汽提塔的泄漏原因分析

王 斌

(河南能源化工集團(tuán)中原大化公司，河南 濮陽(yáng) 457000)

在氨汽提尿素工藝的生產(chǎn)過(guò)程中，氨汽提塔是氨汽提尿素系統(tǒng)中最核心的設(shè)備。由尿素合成塔出來(lái)的反應(yīng)混合物流向汽提塔，混合物在汽提塔管內(nèi)向下流動(dòng)時(shí)被加熱，溶液中二氧化碳因氨的汽提作用而自溶液中沸騰逸出，最高溫度達(dá)到210℃，運(yùn)行期間，整個(gè)汽提塔處于高溫、高壓、甲銨濃度相對(duì)較高的環(huán)境中，因此，氨汽提塔在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，易出現(xiàn)各種原因引起的泄漏。

1 氨汽提塔的結(jié)構(gòu)

河南能源化工集團(tuán)中原大化公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中原大化)尿素汽提塔設(shè)計(jì)為直立式管殼式熱交換器，汽提塔的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：2 574根φ27mm×3.5mm的換熱列管，列管總長(zhǎng)5 830mm，換熱面積814m2，列管材質(zhì)為鈦材；該設(shè)備均為上下對(duì)稱(chēng)，上下管箱均襯以5mm厚鈦板，管側(cè)管板面襯10mm厚鈦板，管子固定在上下管板上，在上管板裝了分布器，運(yùn)行一段周期后，汽提塔可以調(diào)頭使用，增加設(shè)備的使用壽命。

2 汽提塔的運(yùn)行和泄漏情況

在正常生產(chǎn)中，因原料天然氣供應(yīng)原因，中原大化尿素裝置最高負(fù)荷達(dá)到110%(30kNm3/h)，最低負(fù)荷只有30%(8kNm3/h)，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行周期為145 d，高壓系統(tǒng)封塔最長(zhǎng)時(shí)間為53h；2004年2月12日，對(duì)汽提塔E-101進(jìn)行了倒頭處理，截至2019年11月21日，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間7 609d，其中停車(chē)497次，累計(jì)封塔時(shí)間318d，其中，因?yàn)槠崴孤?dǎo)致的停車(chē)出現(xiàn)6次。

2019年11月20日，蒸汽冷凝液電導(dǎo)A09801和蒸汽電導(dǎo)A09802由7.3μs/cm左右緩慢上漲至16μs/cm左右，立即對(duì)裝置沖洗水系統(tǒng)和相關(guān)換熱器進(jìn)行排查，排查發(fā)現(xiàn)，E101殼側(cè)惰氣排放處氨氮達(dá)到1 229.82mg/L，11月21日繼續(xù)取樣分析，該處氨氮數(shù)據(jù)分別為1 262.78mg/L、1 264.84 mg/L，初步判斷為汽提塔E101泄漏，22日取樣分析分別為2 502.9mg/L、2 482.3mg/L、2 533.8mg/L。

3 汽提塔泄漏原因分析

汽提塔殼側(cè)惰氣排放處出現(xiàn)氨氮超標(biāo)，在分析進(jìn)入汽提塔殼側(cè)蒸汽合格的前提下，一般有兩個(gè)原因造成此問(wèn)題，即汽提塔換熱管泄漏和管板列管角焊縫泄漏，而汽提塔管板外側(cè)蓋板泄漏一般是在檢漏孔處，下面從設(shè)備結(jié)構(gòu)和腐蝕機(jī)理兩個(gè)角度對(duì)這兩種泄漏情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.1 汽提塔列管泄漏

汽提塔主要的腐蝕形式為汽提塔上部汽提管的沖刷腐蝕，隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，汽提塔列管上部管段局部會(huì)出現(xiàn)腐蝕減薄、沖刷溝槽現(xiàn)象，部分管段腐蝕嚴(yán)重，大多減薄和沖刷溝槽區(qū)域在距上管口100～150cm的范圍內(nèi)，區(qū)域的具體范圍取決于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)負(fù)荷。其腐蝕泄漏的原因包括以下四點(diǎn)：一是從整根汽提管溫度分布上來(lái)說(shuō)，該處溫度最高，汽提管外側(cè)可達(dá)225℃，由于溫度升高，鈦材的耐腐蝕性能有所下降；二是該處的汽提作用最強(qiáng)，由于溫度高，使得與管壁相接觸的溶液中的氣相急劇蒸發(fā)，所形成的湍流造成沖刷腐蝕；三是列管的液體分布器質(zhì)量差，造成各個(gè)列管進(jìn)液不均勻；四是液體分布器安裝不規(guī)范，液體通過(guò)管口直接進(jìn)入列管，形成湍流，造成列管沖刷腐蝕。

根據(jù)以上腐蝕情況判斷，如果列管出現(xiàn)泄漏，泄漏點(diǎn)大概率會(huì)出現(xiàn)在沖刷腐蝕減薄區(qū)，且其出現(xiàn)后擴(kuò)展速度較快，泄漏量較大，近幾次汽提塔泄漏數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 汽提塔泄漏數(shù)據(jù)

3.2 管板列管角焊縫泄漏

汽提塔管板角焊縫主要腐蝕形式有均勻腐蝕、應(yīng)力腐蝕、角焊縫疲勞，而造成腐蝕泄漏的原因有三點(diǎn)：一是列管的溫差應(yīng)力和熱疲勞，由于列管上下的溫差在20℃左右，并且在185～210℃的溫度下運(yùn)行；二是在運(yùn)行中由于大幅加減負(fù)荷、開(kāi)停車(chē)造成管束震動(dòng)，引起焊接處疲勞；三是制造缺陷，熱影響區(qū)是換熱管和管板焊接最薄弱的部位，也是換熱器發(fā)生泄漏的起始部位，若不能保證焊接質(zhì)量，極易產(chǎn)生殘余變形、殘余應(yīng)力、延遲裂紋。

根據(jù)以上腐蝕情況判斷，如果列管角焊縫出現(xiàn)泄漏，漏點(diǎn)的主要形式為氣孔和裂紋，因角焊縫相對(duì)較厚，并且此處不存在沖刷腐蝕，不會(huì)出現(xiàn)大面積減薄區(qū)，漏點(diǎn)相對(duì)較小。

4 汽提塔泄漏位置判斷

汽提塔為立式換熱器，上下管板都存在泄漏的可能性，通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析可知，汽提塔在換熱過(guò)程中，蒸汽換熱后的冷凝液將會(huì)在換熱器的底部有10cm左右的積存，因此，上下管板泄漏將會(huì)對(duì)殼側(cè)惰氣排放處、殼側(cè)冷凝液處氨氮的含量產(chǎn)生不同的影響，如果下管板泄漏，殼側(cè)冷凝液中的氨氮含量將會(huì)比上管板泄漏時(shí)明顯出現(xiàn)上漲，汽提塔上下管板泄漏時(shí)的數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 下管板泄漏時(shí)液相分析數(shù)據(jù)

圖2 上管板泄漏時(shí)液相分析數(shù)據(jù)

5 汽提塔檢修和查漏方法

在氨汽提尿素工藝中，整個(gè)高壓系統(tǒng)設(shè)備相互連通，同時(shí)設(shè)備體積較大，不易單獨(dú)隔離，因?yàn)楦邏合到y(tǒng)設(shè)備需要在14.5～15.5MPa的壓力下運(yùn)行，所以高壓系統(tǒng)的合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器、甲銨分離器設(shè)備壁厚較大，蓄熱量大，如果將整個(gè)高壓系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)一降溫，將大大增加交出時(shí)間，這時(shí)可以通過(guò)局部降溫的方法，對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行降溫，將大大節(jié)約檢修時(shí)間。

初步判斷為管板列管角焊縫泄漏后，只拆除汽提塔上管箱的進(jìn)液十字分布器和清理上管箱填料，不拆除汽提管的液體分布器，在上管板注入脫鹽水，殼側(cè)通空氣進(jìn)行查漏，發(fā)現(xiàn)一列管角焊縫泄漏，隨后采取拆除部分汽提管液體分布器的方法，騰出焊接空間，對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行消漏，整個(gè)檢修過(guò)程與常規(guī)處理過(guò)程相比，節(jié)約檢修周期2～3d。

6 結(jié)語(yǔ)

汽提塔是尿素裝置的關(guān)鍵設(shè)備，只有充分認(rèn)識(shí)和掌握尿素汽提塔的結(jié)構(gòu)和腐蝕規(guī)律，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治鲂孤r(shí)的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確判斷出泄漏位置，從而制定科學(xué)、合理的檢修方案，極大減少檢修時(shí)間和降低檢修工作量。