尿素合成塔外層板開裂原因分析

王春茂

(山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院　山東濟(jì)南250101)

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尿素合成塔外層板開裂原因分析

王春茂

(山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院山東濟(jì)南250101)

1多層包扎尿素合成塔基本情況

某尿素合成塔于2000年12月投用，容器內(nèi)徑1 200 mm，容積23 m3，設(shè)計壓力21.56 MPa，設(shè)計溫度190 ℃。主體結(jié)構(gòu)為多層包扎式結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為8 mm厚X2CrNiMo18143Mod材質(zhì)內(nèi)襯，向外為6 mm厚Q235材質(zhì)的盲板層，然后是12 mm厚16MnR材質(zhì)第1層層板，再向外為單層6 mm厚15MnVRc材質(zhì)的多層層板(共14層)，筒節(jié)總厚度110 mm。尿素合成塔多層結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1　尿素合成塔多層結(jié)構(gòu)示意

2尿素合成塔檢驗(yàn)方案及發(fā)現(xiàn)的問題

尿素合成塔屬于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕工況，雖然內(nèi)襯為超低碳奧氏體不銹鋼的耐蝕性較好，但使用中不可避免地存在晶間腐蝕、冷凝腐蝕、應(yīng)力腐蝕和均勻腐蝕等情況。特別是在操作過程中出現(xiàn)超溫、斷氧、硫化氫超標(biāo)等情況時，鈍化膜受到破壞，腐蝕速度呈數(shù)倍增加。由于外壁處于高壓工況，加之氮肥企業(yè)空氣、檢漏蒸汽冷凝液、跑冒滴漏等多種情況都會形成應(yīng)力腐蝕環(huán)境，外層板開裂也是威脅尿素合成塔安全的重大安全隱患。針對以上情況，尿素合成塔檢驗(yàn)方案中采用內(nèi)部滲透檢測、超聲測厚、涂層測厚為主的常規(guī)檢測方式，外壁以磁粉檢測為主；必要時，可采用聲發(fā)射檢測對埋藏缺陷等進(jìn)行整體安全評估。

內(nèi)襯檢測時發(fā)現(xiàn)從下向上數(shù)第5環(huán)焊縫有整圈溝槽腐蝕，其余部位發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕等缺陷約60處。外部檢測時發(fā)現(xiàn)外表面從下向上數(shù)第3環(huán)焊縫下側(cè)東面最外層板開裂，開裂長度超過800 mm；該筒節(jié)縱縫中部有一處長150 mm裂紋。對外層板開裂區(qū)域拆除第1層層板1 000×400 mm區(qū)域，發(fā)現(xiàn)第2層檢漏孔周圍區(qū)域存在白色結(jié)晶物，而第2層板左側(cè)裂紋由左向右逐漸變細(xì)，向上延伸至第3環(huán)焊縫；右側(cè)裂紋起源于第3環(huán)焊縫，且由右向左逐漸變細(xì)，并貫穿層板縱焊縫；裂紋一直裂穿4層層板，靠近第3環(huán)焊縫位置裂紋裂穿7層層板，環(huán)焊縫刨開長240 mm、寬48 mm、深55 mm后，滲透檢測裂紋消除。

3原因分析

尿素合成塔內(nèi)部腐蝕主要是不銹鋼內(nèi)襯焊縫晶間貧鉻耐蝕性變差，在高溫尿素氨基甲酸銨溶液強(qiáng)腐蝕性下導(dǎo)致腐蝕。本次檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷都為常規(guī)缺陷，故未做進(jìn)一步分析，現(xiàn)重點(diǎn)對外層板開裂原因進(jìn)行分析和研究。

3.1化學(xué)成分分析

對尿素合成塔外層板進(jìn)行取樣，并做化學(xué)成分分析(見表1)。除S元素的含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余各元素含量未見明顯異常。

表1　外層板化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

3.2力學(xué)性能測試

從尿素合成塔外層板取2個拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　力學(xué)性能測試結(jié)果

由表2可知，2個拉伸試樣的屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和抗拉強(qiáng)度都滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.3金相檢測

對尿素合成塔外層板平行軋制方向及垂直軋制方向2個部位取樣進(jìn)行金相檢測，外層板金相組織示意見圖2。

(a)平行軋制

(b)垂直軋制圖2　外層板金相組織示意

由圖2可知：外層板金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體在鐵素體中均勻分布，沒有其他相的出現(xiàn)；對其進(jìn)行晶粒度評級，晶粒度為9級。

3.4掃描電鏡分析

取斷口進(jìn)行掃描電鏡斷口分析，斷口顏色較灰暗，部分地方呈顆粒狀，斷口處有韌窩出現(xiàn)，為沿晶斷裂。在韌窩邊緣還有分叉的小裂紋出現(xiàn)，在部分?jǐn)嗫谔帤埩粲懈g產(chǎn)物，并呈現(xiàn)解理狀，為穿晶斷裂。

3.5能譜分析

對斷口處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析(見圖3)，腐蝕產(chǎn)物中含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素，可能造成尿素合成塔外層板的應(yīng)力腐蝕開裂。

圖3　斷口處腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3.6水質(zhì)分析

對6個月內(nèi)檢漏蒸汽用脫鹽水化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)部分脫鹽水氯離子指標(biāo)偏高：《尿素技術(shù)規(guī)程》規(guī)定ρ(Cl-)≤5 mg/L，然而化驗(yàn)結(jié)果中>5 mg/L的占26．62%、>6 mg/L的占13.38%。

綜上所述，該臺尿素合成塔外層板開裂主要是由于檢漏蒸汽不純，由尿素合成塔檢漏孔進(jìn)入層板的檢漏蒸汽在層板之間產(chǎn)生凝聚，長時間濃縮形成含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素的腐蝕性產(chǎn)物，對層板形成腐蝕；同時，外層板15MnVRc材質(zhì)的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度偏高，材料的應(yīng)力腐蝕敏感性增高，最終導(dǎo)致外層板應(yīng)力腐蝕開裂。

4處理措施

對于內(nèi)襯腐蝕坑、孔、溝槽等缺陷以焊補(bǔ)為主，即可修復(fù)。對于層板裂紋，由于其開裂層數(shù)較多、深度較大，且塔體各個筒節(jié)都使用同一來源檢漏蒸汽，都具備了該應(yīng)力腐蝕環(huán)境，只是程度輕重不同，不排除其他筒節(jié)內(nèi)部層板也存在開裂的較大可能性。為了安全起見，該臺尿素合成塔定為5級，應(yīng)予以報廢停用。

5結(jié)語

(1) 對于尿素合成塔的檢驗(yàn)不要局限于對具有強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的內(nèi)部檢測，外部強(qiáng)度層的檢測同樣不可忽視。

(2) 對尿素合成塔使用企業(yè)而言，必須重視檢漏蒸汽的純度，最好采用更為清潔的氮?dú)獾冉橘|(zhì)作為檢漏載體，應(yīng)杜絕筒體層板間產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境。

(3) 尿素合成塔定期檢驗(yàn)只是針對停車時狀況的一個評估，保障尿素合成塔的安全要從使用做起，加強(qiáng)巡檢和工藝控制才是安全之本。

(收稿日期2015-11-19)