大型化肥廠尿素高壓設備腐蝕現狀及對策解析

侯志敏，劉秀廷

（海洋石油富島有限公司化肥一部，海南 東方 572600）

目前，我國絕大部分大型化肥廠生產尿素采用二氧化碳汽提工藝，或氨汽提工藝。不管哪種工藝，在高溫生產環境下會生成多種化學物質，而這些化學物質會直接對高壓設備的鋼材造成腐蝕。尿素高壓設備故障中最常見的就是腐蝕問題，因腐蝕問題造成的停產概率非常高，嚴重影響大型化肥廠生產效益，同時還會影響高壓設備運行的安全性，甚至會造成安全隱患。雖然化肥廠在高壓設備養護期間采取了相應的維護方案，但要想讓尿素高壓設備恢復到最佳生產狀態，則要采取有效的防腐手段。

1 尿素高壓設備腐蝕相關闡述

1.1 腐蝕機理

尿素高壓設備在運行中產生的腐蝕問題，其中包含多種因素，如高壓介質電化學腐蝕、生產過程化學性腐蝕等。具體表現如下。

（1）化肥生產過程中會生成氨基甲酸根和氰酸根，而該物質具有還原性，組織金屬表面氧化膜的生成，氧化膜是重要的防腐層，一旦氧化膜無法生成則會造成金屬活化腐蝕。

（2）不銹鋼中所含有的元素會與氨發生反應生成絡合物，而絡合物會破壞金屬氧化膜，從而出現腐蝕情況。

（3）尿素生產中需要加入一定比例的甲銨液，而甲銨液會與不銹鋼產生羥基反應，生成金屬羥基化合物，導致金屬溶于溶液中產生腐蝕問題。甲銨液中含有多種離子化合物，在高溫高壓條件下形成非常強的電解質，增加溶液的導電性，這樣在金屬表層就形成了正負極系統，加速了腐蝕速率。

1.2 腐蝕特點

尿素高壓設備腐蝕可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕，不同的腐蝕面積其腐蝕特點也有所差異。具體表現如下。

（1）均勻腐蝕往往在壓力設備內部產生大面積腐蝕，導致金屬表面被破壞，表現為粗糙、無光澤，通常是由于甲銨液高溫作用、氧氣含量低、甲銨液濃度高、甲銨液凝氣等因素造成的結果。

（2）局部腐蝕可以分為點蝕、縫隙腐蝕，其中點蝕出現在金屬特定部位產生的腐蝕口，腐蝕面積非常小，其他金屬部位均有氧化膜防護；縫隙腐蝕主要出現在金屬的連接處，這部分主要是因為焊接表面不平整，接觸介質面積大或受介質長期沖刷造成的腐蝕。

（3）晶間腐蝕，是指沿著晶間出現腐蝕，導致鋼材晶體出現裂紋，這類腐蝕在金屬表面不會出現明顯的腐蝕現象，但是會影響鋼材的自身性能和機械強度，是一種隱藏性的腐蝕隱患。

（4）選擇性腐蝕，是指甲銨液對鋼材以及連接處選擇性腐蝕，這類腐蝕可能是因為局部應力過大或局部沖刷力較大造成的結果。

（5）應力腐蝕，顧名思義是因為應力作用造成的腐蝕問題，如果某個部位應力過于集中且受到介質腐蝕，會造成應力集中部位加速腐蝕，在生產尿素過程中，在壓力作用下導致金屬表面壓力不穩定，出現交變壓力，從而出現腐蝕問題。

（6）疲勞腐蝕，金屬疲勞是因為受到長期的應力作用導致金屬性能下降，其中也包括防腐性能下降，一般呈現為腐蝕金屬表面產生很多的細小裂紋，隨著腐蝕介質的持續作用，裂紋會逐漸擴大、加深，形成貫穿型金屬裂縫。

（7）冷凝腐蝕，主要是受到溫度影響，介質在低溫作用下生成甲銨冷凝液，該液體會破壞金屬表面的氧化膜，從而造成腐蝕問題。

（8）沖涮腐蝕，主要是介質在流動、反應過程對設備金屬耐蝕襯里、列管造成腐蝕問題，形成溝槽、坑蝕等缺陷。

1.3 腐蝕的影響因素

在尿素高壓設備運行中，造成或加速其腐蝕的因素有很多，如溫度、氨碳比、水碳比、甲銨液濃度、含氧量、氯離子含量等，其主要表現如下。

（1）溫度。由于尿素生產中會持續發生化學反應而生成熱量，如果長時間超溫運行，就會加速高壓設備的腐蝕速率和加大腐蝕程度。通過資料查詢得知，生產溫度每提升10℃，則反應速率提升1倍，溫度升高會提升鈍化態、活化態腐蝕率，縮小不銹鋼鈍化范圍。實踐表明，當操作溫度由165℃提升到200℃，不銹鋼腐蝕率會提升3倍以上。

（2）氨碳比。從化學層面分析，氨對碳鋼的腐蝕性并不大，并且氨還能夠中和液體的酸堿度，抑制氰酸氨、氰酸等腐蝕性物質產生，從而起到一定的防腐作用。如果氨碳比設計不科學，則無法發揮氨的防腐作用，造成金屬受到腐蝕。因此，停車封塔時，二氧化碳氣提工藝封塔時間應控制在24h以內，氨汽提工藝封塔則可以持續48h以上。

（3）水碳比。如果水碳比控制不當，則會加速介質對金屬材料的腐蝕率。如果在生產中，高壓系統的含水率增加，會導致溶液變稀，導致NH4COONH2離解度增加，增加了高還原性離子濃度則會導致CNO離子和COONH2離子增加，加速金屬的腐蝕速率。

（4）甲銨液濃度。甲銨液本身就帶有腐蝕性，增加甲銨液濃度，同時增加生產溫度，會進一步加速金屬腐蝕率。這是因為高濃度甲銨液中的COONH2離子含量增多，破壞鈍化膜，導致金屬表面腐蝕。

（5）含氧量。如果甲銨液中的含氧量不足，則無法起到金屬表面與介質的隔絕作用，從而提升腐蝕率。

（6）氯離子。尿素生產中需要加入甲銨液、蒸汽、冷凝液，而冷凝液中包含氯離子，氯離子本身就帶有腐蝕性，如果冷凝液中的氯離子含量過高會加速金屬腐蝕。這是由于氯離子作為一種活性陰離子，會打破鈍化膜溶解、修復的平衡，增加介質的溶解性能。氯離子會吸附到氧化膜上，替換氧化膜中的氧離子，將鈍化膜的陽離子結合成可溶性氯化物，這樣在金屬表面上就會形成多個點蝕坑，而這些點蝕坑就是活性中心，并向四周擴大腐蝕面積。

除了上述6個腐蝕因素外，在開停車過程中也會造成設備腐蝕問題。在生成完畢后封塔停工，如果高壓系統中依然存有反應液，會持續對反應液接觸的金屬部位造成腐蝕，這就需要在操作中、維護中注意設備清理。開停工中，如果汽提塔出液系統存在問題，如指數超標等，則會導致汽提塔遭受腐蝕。封塔期間，鎳含量會隨著生產持累積，在開工時鎳含量高于標準值，則會加速金屬腐蝕率。高壓設備由于是多種金屬材料制作而成，而不同材料的遇熱膨脹系數不同，在生產中投入物料后會生成大量反應熱，而不同的材料膨脹系數會導致機械變形損傷。

2 尿素高壓設備腐蝕現狀

下文以某大型化肥廠為例，所投入使用的尿素高壓設備在2015年進行改造，距今已有8年時間，分別在2016年、2019年、2022年底展開了3次全面停車檢查。在3次檢查中均出現了不同程度上的腐蝕問題。其表現在：

2.1 尿素合成塔

該化肥廠尿素高壓設備襯里材料采用的是316LMOD，該材料表面上出現了均勻粗糙面，表面顏色為褐色，氣相區產生均勻的腐蝕情況，有不致密的氣相垢層，液相區金屬表面并無出現過度腐蝕情況，表面光滑平整，呈銀色，焊接連接處完好，只有一些常規性腐蝕。上封頭部位出現了多處腐蝕，主要呈現為疏松的腐蝕面，下封頭并無過度腐蝕現象，表面光滑平整，呈銀色，只有一些常規性腐蝕。

2.2 高壓冷凝反應器

高壓冷凝反應器的人孔密封面采用的是25-22-2材料，在檢查過程中密封面沒有出現過度腐蝕情況，依然可以正常投入使用，表面光滑平整，呈銀色。管箱筒體襯里同樣采用的是25-22-2材料，表面呈現為黃褐色的均勻腐蝕，局部出現嚴重的腐蝕情況，已經產生了肉眼可見的裂縫，襯里厚度在7.8～8.2mm，處于正常范圍內。換熱管的管身、管頭、焊接部位表面光滑平整，呈銀色，均為常規腐蝕情況。工藝接管內部的球封頭開孔內部腐蝕為常規腐蝕，接頭堆焊部位（25-22-2材料）表面光滑平整，呈銀色。

2.3 汽提塔

汽提塔上部氣相部位出現了較為嚴重的冷凝腐蝕現象。人孔平蓋采用的是ASTM A266Gr.2+ASTM A265Gr.1材料，人孔蓋襯里出現了褐色腐蝕情況，在堆焊層出現了較為嚴重的局部腐蝕情況。管箱筒體襯里與人孔平蓋采用相同的是ASTM A302Gr.B+ASTM A265Gr.1材料，檢查中出現了褐色腐蝕情況，腐蝕為均勻腐蝕，管筒體襯里厚度在8.2～8.7mm，處于合理范圍內。氣相區襯里分布不均勻的氣相垢，管箱筒體襯里、封頭堆焊層均為常規腐蝕，無過度腐蝕情況。封頭堆焊層表面光滑平整，呈銀色，焊道無明顯腐蝕情況，為常規腐蝕。分布器管頭出現了較為嚴重的腐蝕情況，出現了局部腐蝕，腐蝕部位呈黑褐色。

3 尿素高壓設備的防腐措施

通過分析尿素高壓設備腐蝕機理和腐蝕特點，在防腐方面需要從多個角度出發，采用綜合防腐措施，這樣才能夠最大程度上減少高壓設備的腐蝕概率。

3.1 選擇適宜的設備材料

在生產尿素過程中，設備材料耐腐性是影響其防腐性的核心因素，在高壓設備設計選材或改造選材中，需要重點考慮備選材料的耐腐性能，盡可能選擇高性能尿素不銹鋼材料，從根本上提高高壓設備的耐腐蝕性。本次案例中，高壓尿素接管材料采用的是316MOD材料，但在檢查中發現了褐色腐蝕情況，表面較為粗糙，為均勻性腐蝕，這就代表該材料耐腐性不足，其他材料如人口平蓋材料、管箱筒體等均出現了過度銹蝕情況。這就需要在材料選擇中更換為高性能尿素級不銹鋼材料，從最基本的材料方面提升高壓設備的耐腐蝕性能，并且通過統一金屬材料，可以減少不同材料的膨脹變形問題，讓其腐蝕性一致，這樣不僅可以提高運維效率、降低維修難度，同時還可以延長高壓設備使用壽命。

3.2 嚴控設備生產制造

在高壓設備生產制造過程中，要保證設備的生產質量達標，反復驗證金屬材料性能，確保金屬材料防腐性能達標。在設備焊接中，嚴控鐵素體含量，如果鐵素體含量超過3%則代表不合格，同時檢查是否存在焊接缺口問題。焊接工藝要達到質量標準，保證焊接位置平整光滑、無漏點、無焊點，特別是25-22-2材料焊接中，必須嚴格按照尿素高壓設備焊接標準作業。與腐蝕介質接觸的不銹鋼對接縫及角焊縫（如襯里板與塔板托架的角接焊接頭等）應為全焊透結構。焊接工藝評定試件晶間腐蝕情況試驗中，應按照尿素高壓設備腐蝕評定標準判定最終試驗結果。設備襯里金屬由于直接接觸介質，應加強襯里的防腐保護力度，要求襯里無褶皺、劃痕等，以防加快銹蝕率。

3.3 控制開停車過程

由于金屬表面鈍化需要與氧氣發生氧化反應，因此，在開車前，可以通過加入一定量的純氧或雙氧水的方法增加內表面含氧量，起到養護膜加速生成和修復的作用，避免因鈍化層缺口造成局部腐蝕，更好地起到隔絕金屬表面和介質的作用，提升高壓設備的防腐性能。停車封塔時，也可以通過提升系統內的氧氣含量起到防腐效果，并且封塔時間盡可能不超過24h，在無特殊情況下，盡可能減少停車次數。尿素高壓設備強腐蝕的特點，并結合每次大修，進行詳細的內部檢查。

3.4 設備運行中的防腐

由于溫度會直接加速不銹鋼的腐蝕速率，因此，在生產尿素過程中應嚴格控制整個生產系統的溫度，確保系統運行溫度平穩、無劇烈波動。由于系統運行溫度升高會提升產品鎳含量，以此作為判定系統溫度控制情況。當產品尿素鎳含量連續兩天超過0.2ppm，如確認是高壓系統腐蝕，應停車對系統重新進行鈍化處理。合理提升氨碳比的氨含量、以及碳水比的水含量，避免碳元素過高加速腐蝕率，將生產系統的含氧量控制在0.6%以上，這樣即可達到鈍化膜修復與溶解的平衡，讓金屬表面不會與介質發生接觸，形成穩定的氧化膜，從而提升尿素高壓設備的耐腐蝕性能。

4 結語

綜上所述，大型化肥尿素高壓設備系統龐大，在日常運行中容易出現均勻銹蝕、局部銹蝕等情況，高壓設備銹蝕不僅會影響化肥的正常生產，同時還會增加高壓設備運行安全風險、安全事故，給化肥廠造成嚴重的經濟損失。這就需要充分掌握高壓設備的腐蝕機理和特點，從材料、制造、生產管理、開停車等環節強化防腐措施，保持高壓設備運行穩定性、提升設備使用安全、延長設備使用壽命，保障尿素生產的綜合效益。