定期檢驗與尿素合成塔使用安全

王春茂 王海龍 姚東峰 王淑杰(山東省特種設(shè)備檢驗研究院 濟(jì)南 250101）

定期檢驗與尿素合成塔使用安全

王春茂 王海龍 姚東峰 王淑杰
(山東省特種設(shè)備檢驗研究院 濟(jì)南 250101）

歸納總結(jié)了尿素合成塔宏觀檢驗、滲透檢測、磁粉檢測、聲發(fā)射檢測等檢驗項目的重點(diǎn)。另外專門指出了檢漏介質(zhì)造成層板開裂的缺陷處理注意事項。對于提高尿素合成塔定期檢驗質(zhì)量具有較高的指導(dǎo)意義。

定期檢驗 尿素合成塔 使用安全

尿素合成塔是化肥企業(yè)的核心設(shè)備之一，由于長期處于高溫高壓強(qiáng)腐蝕工況[1-3]，尿素合成塔缺陷檢出率明顯高于其他設(shè)備[4]，自1976年世界范圍內(nèi)發(fā)生7起尿素合成塔爆炸的惡性事故[5-7]。目前全國在用尿素合成塔不足500臺，據(jù)不完全統(tǒng)計自2005年以來，尿素合成塔內(nèi)部爆炸、物料管炸碎等事故5起，泄漏事故20余次，檢驗報廢尿素合成塔超過10臺。定期檢驗可以發(fā)現(xiàn)制造時產(chǎn)生的缺陷和使用過程中新生的缺陷，檢驗人員對尿素合成塔檢驗重點(diǎn)的有的放矢和缺陷的定性、定量及其產(chǎn)生原因的研判對及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患具有重要的現(xiàn)實意義。筆者親歷400余臺次尿素合成塔定期檢驗工作，現(xiàn)將檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題和檢驗注意事項進(jìn)行歸納總結(jié)以供參考。

1　定期檢驗項目及其意義

1.1宏觀檢驗

宏觀檢驗主要檢查容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況以及焊縫、襯里等。尿素合成塔常見的宏觀檢驗超標(biāo)缺陷主要有溝槽腐蝕、內(nèi)襯機(jī)械劃傷、物料管偏置引起的局部沖刷腐蝕等。

較嚴(yán)重的宏觀檢驗缺陷是內(nèi)襯鼓包。某尿素合成塔宏觀檢驗時發(fā)現(xiàn)第5筒節(jié)（從下向上數(shù)）內(nèi)襯縱逢向左0～300mm、向右0～400mm母材上存在若干個鼓包（見圖1（a））。造成這種缺陷的原因主要是開車時升溫過快，使得襯里自由變形量大于筒體的膨脹量。由于襯里受筒體限制，在周向和軸向產(chǎn)生附加的壓應(yīng)力，在內(nèi)壓作用下，器壁都受到周向和軸向的拉應(yīng)力，襯里將變形鼓包。降壓時降壓速度過快，襯里內(nèi)外壓差達(dá)到一定值也會產(chǎn)生鼓包[8]。

某尿素合成塔宏觀檢驗時發(fā)現(xiàn)第二筒節(jié)（從上向下數(shù)）鼓包一處（見圖1（b）），面積為1750×515mm，最大突起高度150mm。造成這種缺陷的主要原因是停車排塔時沒有關(guān)閉檢漏蒸汽或在空塔狀態(tài)下通入檢漏蒸汽，在襯里內(nèi)外造成壓差，壓差超過內(nèi)襯承受外壓限度時，產(chǎn)生鼓包。

圖1　尿素合成塔襯里鼓包

外層板開裂（見圖2）也是宏檢時較嚴(yán)重的缺陷之一。目前已有山東[9]、陜西、甘肅、新疆、廣西[10]等6臺尿素合成塔拆除保溫層后宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)尿塔外部多數(shù)筒節(jié)層板爆裂，因無修理價值設(shè)備直接報廢。層板開裂主要是應(yīng)力腐蝕開裂，這從裂紋的斷面形貌和裂紋尖端金相得到更好的印證[11]。

圖2　尿素合成塔外層板開裂

1.2壁厚測定

由于尿素合成塔高溫高壓的強(qiáng)腐蝕工況，尿素合成塔內(nèi)襯的均勻腐蝕減薄蝕不可避免，檢驗中內(nèi)襯測厚是一個必不可少的檢驗項目。測厚主要有兩個作用，一是實測尿素合成塔內(nèi)襯最小壁厚，另外也可衡量內(nèi)襯年腐蝕速率。正常情況下尿素合成塔超低碳奧氏體不銹鋼內(nèi)襯年腐蝕速率不大于0．2mm/a，最小壁厚不小于4mm。

通過對大量尿素合成塔平均剩余壁厚的統(tǒng)計分析（如圖3所示）可以看出，投用超過13年后各尿素合成塔內(nèi)襯腐蝕規(guī)律開始有明顯的分化，個別塔內(nèi)襯腐蝕加劇，甚至低于4mm[12]。因而對于使用周期超過13年以上的尿素合成塔無論從工藝流程、現(xiàn)場操作還是定期檢驗都應(yīng)引起格外的重視，以確保設(shè)備的安全使用。

圖3　尿素合成塔使用時間與內(nèi)襯最小壁厚關(guān)系

另外由于一般尿塔中偏上部物料混合反應(yīng)充分，但氰酸根濃度高，腐蝕嚴(yán)重。多臺塔各筒節(jié)平均壁厚概率統(tǒng)計為中偏上部最薄，其次是中部筒節(jié)，最上部壁厚略小于最下部壁厚。一般如圖4（a）分布。

如果出現(xiàn)了明顯的壁厚分布規(guī)律差異（如圖4（b）所示），一般是使用中出現(xiàn)了（或出現(xiàn)過）工藝問題，比如脫硫出現(xiàn)問題、鈍化不好、多塔并聯(lián)管道分壓不均勻等，這時應(yīng)引起格外的重視，不僅僅是尿素合成塔，與之相連的其他容器和管道都應(yīng)加強(qiáng)檢驗。

圖4　不同筒節(jié)內(nèi)襯壁厚分布情況

1.3滲透檢測

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會各界逐漸提高對體育事業(yè)的重視。因此，為了促進(jìn)全民參與體育活動，有效提升我國青少年的身體素質(zhì)，增強(qiáng)我國全民的體育意識，就需要相應(yīng)的構(gòu)建“學(xué)校、家庭、社會”體育一體化模式，為促進(jìn)體育事業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，不僅能夠符合現(xiàn)代體育教育發(fā)展的需求，同時還能夠促進(jìn)素質(zhì)教育目標(biāo)的實現(xiàn)。

滲透主要用于檢測內(nèi)襯腐蝕坑、孔、腐蝕溝槽、裂紋、進(jìn)料管管口裂紋等缺陷。內(nèi)襯滲透檢測的主要目的是防止內(nèi)襯出現(xiàn)貫穿性缺陷。對于狹窄的深孔、槽等液體流動不暢，鈍化不良，腐蝕速度會進(jìn)一步加劇。

2008年底對163臺次尿素合成塔全面檢驗情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，液氨物料管管口裂紋43次，出現(xiàn)概率為26．4%。進(jìn)一步研究表明液氨物料管管口裂紋主要是由于物料管焊接結(jié)構(gòu)、溫差應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)和工況條件等因素綜合影響造成的[13-15]。其中溫差應(yīng)力是造成管口裂紋的主要因素[16]。在不影響化學(xué)熱平衡的前提下適當(dāng)提高液氨預(yù)熱溫度將極大地降低管口裂紋的出現(xiàn)幾率。目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)采取了對三物料管進(jìn)口段適當(dāng)提高預(yù)熱，極大的降低了液氨管管口裂紋產(chǎn)生的傾向和嚴(yán)重程度。

此外由于工藝原因，尿素合成塔上封頭與筒體熱影響區(qū)容易出現(xiàn)垢下裂紋，由于垢下流動性小，氧化鈍化效果不好，更容易進(jìn)一步加速垢下裂紋的擴(kuò)展，甚至出現(xiàn)貫穿性缺陷，引發(fā)強(qiáng)度層腐蝕。因此對于結(jié)垢明顯的尿素合成塔應(yīng)先對上封頭與筒體相連環(huán)焊縫T型接頭兩側(cè)進(jìn)行打磨檢測，若發(fā)現(xiàn)垢下裂紋，應(yīng)進(jìn)一步打磨和擴(kuò)探，直至缺陷消除。

圖5　垢下裂紋

1.4磁粉檢測

對尿素合成塔外層板環(huán)、縱焊縫、裙座安裝焊縫進(jìn)行磁粉檢測以發(fā)現(xiàn)表面或近表面缺陷。缺陷的形態(tài)主要為應(yīng)力腐蝕造成的裂紋。這些裂紋如果不及時發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步擴(kuò)展，降低塔體的承載能力，造成重大安全隱患。

裂紋的發(fā)生部位不僅在環(huán)縱焊縫及其熱影響區(qū)，有時裙座角焊縫、母材等也有可能產(chǎn)生裂紋，特別是尿素合成塔制造時支承部位的母材更容易出現(xiàn)裂紋。

圖6　多層層板裂紋

1.5聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測是利用耦合在塔體外表面上的壓電傳感器來檢測材料開裂或缺陷活動過程中所輻射出來的應(yīng)力波。由于尿素合成塔深環(huán)焊縫的特殊結(jié)構(gòu)，見圖7的裂紋由于裂紋致密度高，角度不確定等因素，采用射線檢測檢出率較低。由于多層層板尖端的干擾，超聲檢測的判定也較困難。超聲相控陣檢測缺乏相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。聲發(fā)射是針對這種缺陷較有效的檢測方式之一，也是比較快捷的檢測方式，但需要對多層包扎結(jié)構(gòu)聲發(fā)射信號衰減規(guī)律測定、傳播速度測量、聲發(fā)射信號識別等進(jìn)行特別的研究，必要時通過對缺陷現(xiàn)場解剖驗證從而實現(xiàn)了對缺陷的定位和活度測量[17]。

圖7　尿素合成塔深環(huán)焊縫裂紋剖面圖

2　其他注意問題

由于內(nèi)襯泄漏后塔內(nèi)尿素和氨基甲酸銨溶液對強(qiáng)度層腐蝕速度非?？欤ǎ?000mm/a），為防止強(qiáng)度層因腐蝕失效，尿素合成塔在頂蓋和筒節(jié)上分別設(shè)計了檢漏孔以便早期發(fā)現(xiàn)尿素合成塔內(nèi)筒泄漏，避免惡性事故的發(fā)生。目前檢漏方式有：蒸汽檢漏、氮?dú)鈾z漏、空氣檢漏、惰性氣體檢漏等。

蒸汽檢漏是用的最早的檢漏方式之一，但多采用二次蒸汽作為檢漏介質(zhì)，加上系統(tǒng)冷凝液回收的因素，蒸汽純度難以保證。蒸汽中的碳酸鹽、鐵銹以及雜質(zhì)在停車降溫時容易結(jié)晶堵塞檢漏通道。一旦蒸汽中含有氯離子、碳酸根離子等有害介質(zhì)，長期使用會造成內(nèi)襯層背側(cè)局部積液濃縮，形成對設(shè)備應(yīng)力腐蝕環(huán)境。在尿素合成塔高溫、高壓工作狀態(tài)下，冷凝液沉積部位極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致內(nèi)襯層背側(cè)應(yīng)力腐蝕開裂。因而發(fā)生內(nèi)襯非焊縫位置泄漏的尿素合成塔，對于內(nèi)襯母材背側(cè)缺陷的補(bǔ)充檢測是很有必要的，由于缺陷位于背側(cè)，采用超聲檢測或者Lamb波檢測是比較可行的方式之一[18]。

此外由于加工工藝、酸洗控制不當(dāng)以及操作不合理等問題造成同一筒節(jié)的通氣孔和檢漏孔發(fā)生了串通。在工藝蒸汽不純串入層板間隙時，可能導(dǎo)致尿素合成塔層板局部應(yīng)力腐蝕開裂（見圖8）。對于這種情況的開裂，一定要采取開大于所在層層板裂紋區(qū)域的天窗擴(kuò)探下一層，確保各層裂紋均打磨消除，而不能簡單的把第一層層板裂紋消除后盲目補(bǔ)焊。

圖8　檢漏孔周圍多層層板開裂

3　結(jié)束語

多層結(jié)構(gòu)的尿素合成塔因結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定而被企業(yè)安全意識重視不夠。2005年發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故后，多數(shù)企業(yè)都進(jìn)行了針對性的安全檢查，卻往往忽視了對事故征兆和事故苗頭進(jìn)行排查。尤其是近幾年表現(xiàn)在實際行動上的安全意識明顯在減弱，定期檢驗重視不足。

航空界海恩法則顯示：每一起嚴(yán)重事故的背后，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。該法則對于特種設(shè)備檢驗，對于尿素合成塔的使用安全同樣適用。事故的發(fā)生是量的積累的結(jié)果，任何一起事故都是有原因的，并且是有征兆的。安全生產(chǎn)是可以控制的，安全事故是可以避免的。再好的技術(shù)，再完美的規(guī)章，在實際操作層面，也無法取代人自身的素質(zhì)和責(zé)任心。安全不僅是設(shè)計、制造和使用管理，檢驗也是不可忽視的一環(huán)。作為檢驗人員更應(yīng)加強(qiáng)尿素合成塔等含襯里設(shè)備檢修檢驗，及時消除安全隱患。

[1] 關(guān)鍵. 尿素合成塔內(nèi)的流動與腐蝕[J]. 腐蝕與防護(hù)，2003，（2）：62-63.

[2] 張景富. ACES尿素合成塔防腐及其襯里的保護(hù)[J].化工設(shè)備設(shè)計，1996，33(4)：46-52.

[3] 丁明志． 尿素合成塔的腐蝕與對策[J]. 合肥學(xué)院學(xué)報，2006，16(10)：42-43．

[4] 王春茂，祝衛(wèi)國，袁濤，等. 尿素合成塔全面檢驗中的典型缺陷[J]. 無損檢測，2009，31(11)：906-909.

[5] 池樹增． 國外某廠尿素合成塔爆炸事故原因初探[J].中氮肥，2006，(2)：10-13.

[6] 王威強(qiáng)，李夢麗，徐樹根，等. 尿素合成塔爆炸及層板嚴(yán)重腐蝕開裂原因分析[J]. 金屬熱處理，2007，32（增刊）：197-205.

[7] T. Jojima. Urea reactor failure[J]. Ammonia Plant Safety and Related Facilities，1979，21：111-119.

[8] 孫永生. 尿素合成塔襯里變形鼓包原因分析及對策[J].大氮肥，2012，35（2）：113-117.

[9] 羅華林，陳中合. 尿素合成塔事故狀況與原因分析[J]. 石油和化工設(shè)備，2012，15(5)：52-56.

[10] 周建興. 尿素合成塔外表面爆裂分析[J]. 中國特種設(shè)備安全，2007，23（8）：49-51.

[11] 宋明大，曹懷祥，王春茂，等. 多層包扎尿素合成塔開裂環(huán)境分析[J]. 中國特種設(shè)備安全，2011，27（7）：43-46.

[12] 王春茂，趙路寧，程冰，等. 尿素級不銹鋼襯里腐蝕規(guī)律初探[J]. 化肥工業(yè)，2013，40(5)：38-40.

[13] 張國棟． 尿素合成塔封頭接管區(qū)和過渡區(qū)三維有限元分析[J]. 大氮肥，1999，22(2)：73-75．

[14] 周泉水，廖定友. 在用尿素合成塔液氨接管裂紋原因分析[J]. 中國特種設(shè)備安全，2006，22(8)：47-49．

[15] 金南輝. 尿素合成塔液氨管裂紋分析[J]. 壓力容器，2000，17(1)：78-80．

[16] 王春茂，祝衛(wèi)國，袁濤，等. 水溶液全循環(huán)工藝尿塔物料管管口裂紋統(tǒng)計與成因[J]. 中國特種設(shè)備安全，2009，25(8)：67-69.

[17] 曹懷祥，祝衛(wèi)國，宋明大,等. 層板包扎高壓容器聲發(fā)射檢測[J]. 無損檢測，2008，30(10)：741-743.

[18] 王春茂，祝衛(wèi)國，袁濤，等. 不銹鋼內(nèi)襯背側(cè)缺陷Lamb波檢測技術(shù)[J]. 壓力容器，2010，27(3)：906-909.

Periodical Inspection with Service Safety of Urea Reactor

Wang Chunmao Wang Hailong Yao Dongfeng Wang Shujie
(Shandong Special Equipment Inspection & Research Academy Ji'nan 250101)

In this article, the focus of inspection of urea reactor was indicated in macroscopic examination penetrant testing magnetic testing and acoustic emission. It was also indicated that a few remarks must be made to concern defect repair of plate cracking by medium leakage. It is helpful to improve inspection quality.

Periodical inspection Urea reactor Service safety

X933．4

B

1673-257X(2016)01-0042-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．010

王春茂(1978～)，男，碩士，高級工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗和研究工作。

（2014-08-08 ）