尿素工藝高壓設(shè)備中泄漏檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

劉念，付榮申，朱迪

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素(CH4N2O)是一種重要的化學(xué)肥料和工業(yè)原料，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用，通過原料氨和二氧化碳合成。生產(chǎn)尿素是一個升溫升壓的過程，其生產(chǎn)過程要求在液相中進行，即中間產(chǎn)物氨基甲酸銨(NH2COONH4)必須呈液態(tài)出現(xiàn)，所以一般合成過程的壓力范圍為14～21 MPa，溫度范圍為170～200 ℃，其反應(yīng)式可分成兩個步驟[1-2]：

(1)

(2)

其中，步驟一的反應(yīng)快，步驟二的反應(yīng)慢，這就導(dǎo)致尿素裝置需要一個體積較大的尿素合成塔，包含NH3， CO2， NH2COONH4， CH4N2O和H2O等混合物，NH2COONH4能夠?qū)υO(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，特別是對碳鋼材質(zhì)的腐蝕速度高達1 000 mm/a[3]，因此，尿素高壓圈設(shè)備一般由不銹鋼內(nèi)襯和碳鋼外殼組成，不銹鋼內(nèi)襯起抗腐蝕作用，而碳鋼外襯則增加了設(shè)備的強度。由于焊縫的缺陷、局部受熱不均等原因造成點腐蝕加劇，從而導(dǎo)致內(nèi)襯的泄漏，為了保證尿素裝置高壓圈設(shè)備的安全運行，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)男孤z測系統(tǒng)在工廠運行期間不斷檢查這些襯里，保證其完整性和安全性。

1 檢漏方法

由于具有強腐蝕性的NH2COONH4泄漏之后，會降壓分解成碳酸氫銨和氨氣，因此，針對尿素工藝設(shè)備的泄漏，一般采用氨泄漏檢測方法。

氨泄漏檢測方法可分為直接法和間接法。當(dāng)采用直接法時，設(shè)備檢漏通道內(nèi)處于自然狀態(tài)，不通任何物料，如果襯里發(fā)生破損泄漏，首先泄漏出來的是滲透性很強的氨氣，經(jīng)由阻力最小的檢漏通道從檢漏管排出，再被分析儀表捕捉后測出。當(dāng)采用間接法時，會將循環(huán)媒介通入設(shè)備檢漏通道上端入口，進入設(shè)備夾層，并從下端檢漏通道出口排出，如果襯里發(fā)生破損泄漏，泄漏物也隨氣體排出，再通過分析儀表檢測。對比兩種方法，直接法具有響應(yīng)速度慢、流路不可控、氨氣聚集容易導(dǎo)致人員受傷等缺點；間接法則具有響應(yīng)速度快、流路可控(包括流速、流量、流向)、定位泄漏點容易等特點，當(dāng)塔體襯里有泄漏發(fā)生時，在襯里層與殼體之間的區(qū)域內(nèi)，檢漏通道的載氣可及時把泄漏介質(zhì)引出該區(qū)域并經(jīng)分析儀自動檢測其泄漏的關(guān)鍵成分氨。因此，采用間接法的泄漏檢測系統(tǒng)反應(yīng)時間短，可及早發(fā)現(xiàn)及定位泄漏情況，同時也能實施在線連續(xù)監(jiān)測。

傳統(tǒng)循環(huán)媒介一般采用蒸汽，且對蒸汽的品質(zhì)要求非常高，檢漏蒸汽中通常含有很多的氨、氯、碳酸等離子，這些介質(zhì)往往會引起尿素高壓圈設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開裂，同時也無法避免蒸汽冷凝堵塞檢漏孔的現(xiàn)象。隨著工藝技術(shù)的不斷改進和對高壓設(shè)備安全性認(rèn)識的不斷提高，人們對循環(huán)媒介提出了新的看法，現(xiàn)階段采用不與氨反應(yīng)且容易獲得的氣體，如氮氣、潔凈的儀表空氣作為循環(huán)媒介已成為主流。循環(huán)媒介流路如圖1所示。

圖1 循環(huán)媒介流路示意

通過圖1可以看出，在設(shè)備外殼與內(nèi)襯間加循環(huán)媒介，并在循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置氨自動測量儀表。當(dāng)設(shè)備內(nèi)襯有破損時，循環(huán)媒介可把泄漏的氨攜帶出來，只要通過氨檢測儀表分析循環(huán)媒介內(nèi)的氨含量，就可以及時判斷泄漏發(fā)生的性質(zhì)、部位、程度等情況。同時，把檢測到的信號送入全廠監(jiān)控系統(tǒng)，便可實現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備的氨泄漏的遠程、便捷、快速的檢測與監(jiān)控[4]。

2 在線泄漏檢測系統(tǒng)配置

尿素生產(chǎn)行業(yè)中有多種泄漏檢測系統(tǒng)，不同授權(quán)方和制造商對泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)計理念不一樣，通常都設(shè)計了一個檢驗泄漏氣體的通道來檢測襯里中的泄漏情況。

為了設(shè)置檢驗泄漏氣體的通道，在每塊襯里連接處均開設(shè)有檢漏槽，這些襯里連接相對可靠，因此，每塊襯里連接處開設(shè)的檢漏槽越少，則焊縫數(shù)量就越少，最終可以有效降低泄漏的風(fēng)險。

工業(yè)生產(chǎn)中以前都是將檢漏孔用短管引出檢查通氣，由于工藝介質(zhì)易含有碳銨鹽或尿素結(jié)晶，存在檢漏管被結(jié)晶堵塞導(dǎo)致檢漏通道監(jiān)測不到襯里泄漏的危險。為解決該問題，將介質(zhì)通過長管中的循環(huán)媒介引入到便于觀測的在線監(jiān)測分析儀中，用周期性監(jiān)測替代人工手檢，能夠規(guī)避上述風(fēng)險，同時降低操作工的工作量，在線檢漏系統(tǒng)逐漸替代人工手檢成為主流。在線泄漏檢測系統(tǒng)配置如圖2所示，主要由檢漏通道、測量儀表和循環(huán)系統(tǒng)三部分組成。

圖2 在線泄漏檢測系統(tǒng)配置示意

2.1 檢漏通道

尿素高壓設(shè)備檢漏通道主要包括： 檢漏槽、檢漏管及檢漏接管三個部分。其中檢漏槽是指設(shè)置于內(nèi)襯與承壓殼體之間并能迅速將內(nèi)襯泄漏處的泄漏物質(zhì)導(dǎo)至檢漏孔的專設(shè)通道。在尿素高壓設(shè)備的每一個筒節(jié)分別設(shè)置有多根檢漏管，設(shè)備的不銹鋼襯里外設(shè)計了檢漏孔，從檢漏孔引出檢漏管，檢漏管成對出現(xiàn)，一根檢漏管將循環(huán)媒介通過檢漏接管引入循環(huán)氣體，經(jīng)由承壓殼體的檢漏孔蓋板，穿過殼體層板進入盲層板上的檢漏槽中，配對的另一根則將循環(huán)氣體接入檢漏接管將氣體引入到檢測裝置里，襯里層、檢漏槽、檢漏孔、檢漏管、檢漏接管就形成了完整的檢漏結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 檢漏結(jié)構(gòu)示意

襯里與碳鋼承壓體之間的檢漏槽有一定間隙(夾層)，設(shè)備制造時設(shè)置與其間隙連通的檢漏管監(jiān)測襯里的腐蝕情況，如監(jiān)測到檢漏管有介質(zhì)漏出，則證明不銹鋼襯里板或其焊縫已經(jīng)腐蝕泄漏，必須盡快停車處理，避免外壁腐蝕損壞設(shè)備甚至造成合成塔爆炸等安全事故[5]。

由于設(shè)備高度、尺寸、形狀各異，筒節(jié)的數(shù)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢漏管的長度、方向、布置隨之改變，各設(shè)備需要的檢漏通道的數(shù)量也就不盡相同。一般而言，為滿足最基本技術(shù)要求、最低的泄漏風(fēng)險和最有效的經(jīng)濟效益的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計可以減少檢漏通道的數(shù)量。

2.2 測量儀表

根據(jù)在線泄漏檢測系統(tǒng)配置的要求，循環(huán)氣體吹掃總管線設(shè)置有壓力表，吹掃總管線連接了多組并聯(lián)的吹掃分管線，同時循環(huán)氣體回收管線上連接多組關(guān)聯(lián)的回收分管線，吹掃分管線上均設(shè)有流量計和吹掃閥，在使用過程中通過吹掃閥控制進氣，保持微正壓，避免壓力高造成襯里鼓包。回收分管線上均設(shè)有回收閥，在使用過程中通過回收閥控制出氣，保持微負壓抽氣，同時要避免壓力過低導(dǎo)致襯里抽癟、失穩(wěn)等情況發(fā)生。在回收分管線與吹掃分管線之間的連接管線上依次設(shè)有換熱器、氨分析儀、氨過濾器和鼓風(fēng)機，最終氨分析儀經(jīng)有線或無線連接到DCS的顯示和報警單元。氨分析儀具備兩種工作狀態(tài)：

1)在線檢測狀態(tài)。所有流出檢漏通道的循環(huán)氣體匯集于吹掃總管線中，匯總后一部分送入氨分析儀，其余部分放空，一旦有檢漏通道中的襯里發(fā)生泄漏，即可分析檢測出來并及時報警。

2)切換工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一檢漏通道有可能發(fā)生泄漏時，可單獨分析該檢漏通道的檢漏管引出的檢漏循環(huán)氣體，以確切判斷泄漏發(fā)生的程度、范圍、性質(zhì)等具體情況。

在線泄漏檢測系統(tǒng)的循環(huán)氣體流量應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)對介質(zhì)泄漏的反應(yīng)時間來設(shè)置，并通過第一流量計實時觀測，一定流量和流速的循環(huán)氣體在檢漏通道中的流動可避免檢漏通道的堵塞，有助于提高該系統(tǒng)的可靠性。如果使用氮氣或儀表空氣作為循環(huán)媒介，還應(yīng)盡可能降低制氮裝置/空壓站附近的氨含量，保證循環(huán)氣體的清潔度，以防循環(huán)氣體被污染而影響該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

2.3 循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)媒介系統(tǒng)和循環(huán)冷卻系統(tǒng)兩個部分：

1)循環(huán)媒介系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對所有檢漏通道內(nèi)的介質(zhì)進行閉路循環(huán)，不僅不需要介質(zhì)對外排放，而且檢測過程還十分高效和安全，對于一個只有幾十個通道的泄漏檢測系統(tǒng)而言，載氣的耗費量相較于工廠整體用氣量幾乎可以忽略不計。

2)循環(huán)冷卻系統(tǒng)。由于氨檢測儀要求測量氣體的操作溫度不高于50 ℃，但設(shè)備內(nèi)溫度高達200 ℃以上，當(dāng)循環(huán)氣體在設(shè)備內(nèi)循環(huán)后排出時，溫度將升高很多，因此必須采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)對設(shè)備出口循環(huán)氣體進行冷卻降溫，同時循環(huán)冷卻水還可以回收再利用，減少資源浪費。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，泄漏檢測系統(tǒng)傾向于采用一體化設(shè)計，把系統(tǒng)的各個部分和元件都集成在一個機柜內(nèi)，并把需要操作的元器件布置在柜子的正面，例如閥門、轉(zhuǎn)子流量計等，不需要操作的元器件布置在柜子的反面或側(cè)面，如與外界的接口、接線箱等。這樣便于整體的運輸及現(xiàn)場安裝。當(dāng)測量機柜運達現(xiàn)場后，僅需要把設(shè)備循環(huán)氣體入口與該測量機柜的循環(huán)氣體出口、設(shè)備循環(huán)氣體出口與該測量機柜的循環(huán)氣體入口采用不銹鋼管進行卡套連接即可，這樣大幅減少了現(xiàn)場施工量，節(jié)省了施工時間和費用。

3 泄漏檢測系統(tǒng)應(yīng)用案例

3.1 項目介紹

某項目主裝置采用天然氣制合成氨(2.050 kt/d)和尿素(3.250 kt/d)，包括了3臺150 t/h燃氣鍋爐和發(fā)電機，配套有原水、除鹽水、循環(huán)水、污水、罐區(qū)、廢水氣提、空壓站、火炬、原料儲運等裝置，環(huán)境最高溫度達60 ℃。

尿素裝置采用東洋ACES21尿素生產(chǎn)技術(shù)，主要特點是采用沉浸式立式冷凝吸收器，并利用甲銨反應(yīng)熱副產(chǎn)蒸汽供后續(xù)工序使用，主要包括以下工序： CO2壓縮、尿素合成、甲銨冷凝、汽提、凈化、CO2回收等系統(tǒng)，工藝流程如圖4所示[6]。

圖4 尿素工藝流程示意

3.2 檢漏方案設(shè)計

該項目尿素三大高壓設(shè)備分別是尿素合成塔、甲銨冷凝器和汽提塔，其筒體結(jié)構(gòu)是多層包扎型式，內(nèi)襯為不銹鋼襯里，由多個筒節(jié)經(jīng)環(huán)焊縫焊接而成，在每個筒節(jié)上預(yù)先開設(shè)出檢漏槽及多個檢漏孔，操作中為便于操作工監(jiān)測泄漏的位置，各個檢漏孔引出的檢漏接管會依次排列并編制相應(yīng)的號碼，高壓設(shè)備的檢漏通道數(shù)量根據(jù)設(shè)備內(nèi)襯焊縫的特點進行了設(shè)計。三大尿素高壓設(shè)備工況及檢漏通道數(shù)量見表1所列。

表1 尿素高壓設(shè)備工況

該項目以尿素合成塔為例，通過流路控制、氮氣循環(huán)的速度、氮氣循環(huán)的流量、投資估算等條件，可以確定整個系統(tǒng)檢漏通道所需的數(shù)量。氮氣循環(huán)系統(tǒng)檢漏通道數(shù)量直接影響到氮氣循環(huán)量、元器件數(shù)量、系統(tǒng)機柜的尺寸等，設(shè)計人員對比系統(tǒng)滯后時間和系統(tǒng)造價，最終確定檢漏通道數(shù)量總共為17個，泄漏檢測系統(tǒng)的循環(huán)氮氣壓力和流量則要根據(jù)該系統(tǒng)需要的反應(yīng)時間、內(nèi)襯所能承受的壓力、檢漏通道數(shù)量和氣體檢測儀性能來設(shè)置。尿素合成塔泄漏檢測系統(tǒng)方案如圖5所示。

圖5 尿素合成塔泄漏檢測系統(tǒng)方案示意

由圖5可知，該泄漏檢測系統(tǒng)方案工作流程如下：

1)氮氣經(jīng)過氮氣過濾器和壓力調(diào)節(jié)器先進入氮氣吹掃干線，再通過吹掃干線進入多根并聯(lián)的吹掃分管線，當(dāng)循環(huán)氮氣管線壓力低于設(shè)定壓力時，則通過壓力調(diào)節(jié)器補充氮氣，保證吹掃壓力。

2)進入吹掃分管線的氮氣再經(jīng)各自的第一流量計和針形閥由噴嘴進入設(shè)備的檢漏通道開始吹掃，吹掃干線的支管上有一個壓力表，以及呼吸水槽的密封管路，保持吹掃管線內(nèi)壓力均衡。

3)吹掃氣經(jīng)過回收分管線將氮氣回收，由于尿素合成塔內(nèi)部溫度達到200 ℃，回收干線將多根并聯(lián)回收分管線的氮氣收集起來后，先經(jīng)換熱器降溫，再送入氨分析儀內(nèi)檢測氨濃度。

4)當(dāng)檢測到有泄漏發(fā)生時，氨分析儀將實時信號送到監(jiān)控系統(tǒng)顯示和報警，此時立即停車，并手動逐個關(guān)閉回收分管線和配套的截止閥來一一排查泄漏回路，做好精準(zhǔn)定位，及時解決泄漏問題。

5)氨分析儀后設(shè)有氨過濾器，將無氨氣體引入氨氣鼓風(fēng)機，最終排放到吹掃干線中，位于過濾器后面的排氣管可以對氨分析儀進行校準(zhǔn)。

3.3 泄漏原因分析

通過檢漏方案的設(shè)計，在泄漏發(fā)生時可以快速定位泄漏點，根據(jù)尿素高壓設(shè)備的特點，可以從以下幾個方面查找尿素高壓設(shè)備泄漏的原因：

1)通過檢漏孔結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)高壓殼體結(jié)構(gòu)和襯里加工工藝的不同，檢漏孔結(jié)構(gòu)有多種型式[7]，該項目采用在內(nèi)部襯里施工前鉆出檢漏孔并焊接檢漏管的插管檢漏結(jié)構(gòu)型式，可以通過拆除檢漏孔外防護板，利用視頻內(nèi)窺鏡檢查尿素設(shè)備檢漏孔結(jié)構(gòu)與圖紙是否一致，檢查檢漏孔是否存在裂紋，調(diào)查檢漏孔在使用過程中是否通暢。

2)通過襯里表面變化分析。該項目采用的雙相不銹鋼襯里板表面顏色應(yīng)為銀白色或銀灰色，通過檢查襯里打磨痕跡部位(在制造過程中可能發(fā)生的電弧擦傷或鐵素體污染或其他原因造成的襯里損傷)的腐蝕情況，檢查襯里是否存在穿透性腐蝕、裂紋、凹陷。

3)通過襯里板焊縫分析。襯里板焊縫顏色應(yīng)為銀灰色，檢查頂部封頭和人孔連接部位的堆焊層顏色的變化，如果焊縫呈黑色或褐色說明焊材有問題或者堆焊層厚度不夠，而該部位鐵素體含量可能超標(biāo)，同時檢查縱焊縫和環(huán)焊縫起弧、收弧部位是否產(chǎn)生缺陷。

4)通過設(shè)備進出管口、螺栓、人孔分析。設(shè)備進出管口、螺栓、人孔在使用較長時間后，易存在較大的應(yīng)力集中和微觀裂紋，通過金屬記憶檢測脆性程度，判斷各構(gòu)建是否存在缺陷。

4 結(jié)束語

安全生產(chǎn)不僅是設(shè)計、制造和使用管理，周期性檢驗也是不可忽視的一環(huán)。尿素高壓設(shè)備是化工生產(chǎn)企業(yè)最重要的壓力容器之一，近年來國內(nèi)外尿素高壓設(shè)備在運行過程中未能及時發(fā)現(xiàn)泄漏險情，最終導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故的發(fā)生，很大原因就是由于檢漏過程不規(guī)矩和檢漏系統(tǒng)不完善。因此，采取切實可行的技術(shù)措施對尿素高壓設(shè)備的泄漏情況進行連續(xù)在線的嚴(yán)密監(jiān)測，提高預(yù)防重大惡性事故的發(fā)生的能力，從而確保尿素高壓設(shè)備安全穩(wěn)定運行。