脫氨塔減薄分析

李曉威 李 尤

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.吉林省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心 長春 130000）

當前在壓力容器設(shè)備的定期檢驗中，測厚檢驗都是抽查檢驗，按TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，測厚抽查部位主要是液體波動部位；物料進口、流動轉(zhuǎn)向、截面突變等易受沖蝕的部位；制造成型時壁厚減薄及使用中易變形磨損的部位；接管部位及宏觀發(fā)現(xiàn)可疑部位進行抽查。對于小型設(shè)備及內(nèi)構(gòu)件簡單的設(shè)備，液面波動及進出料口等部位都方便查找，但是對于塔類設(shè)備，由于內(nèi)構(gòu)件、連接管道眾多，內(nèi)部工況相對較復雜?？赡馨l(fā)生減薄部位也較多。特別是對于只能外部檢驗的塔類，很難保證減薄部位具備外部平臺進行檢驗，即使內(nèi)部檢驗，也不能保證內(nèi)部塔盤完全拆除已達到全面厚度抽查檢驗的需要。所以如何保證測厚抽查可以覆蓋所有的減薄風險點，如何平衡檢驗成本與風險水平之間的關(guān)系，如何才能制定更加有效的檢驗方案等問題都是檢驗中需要面對和考慮的。

某煤化工企業(yè)脫氨塔在定期檢驗中發(fā)現(xiàn)塔壁部分位置減薄嚴重。由于本次檢驗是外部檢驗。無法判斷減薄的全部區(qū)域及減薄程度。固向使用單位申請對設(shè)備進行置換倒空，進行內(nèi)部擴檢以評估設(shè)備的整體減薄情況。為保障裝置的安全穩(wěn)定運行，減少今后發(fā)生相同的事故，需對該塔的減薄問題進行分析，找出原因，并給出相應的改進措施。

1 脫氨塔減薄情況

脫氨塔自2009年11月投用，在2019年4月的定期檢驗中，發(fā)現(xiàn)二層平臺上東南位置減薄異常，該塔公稱壁厚14mm，測厚位置最小厚度到了6.9mm，腐蝕速率達到了0.75mm/年，已經(jīng)嚴重超出了正常腐蝕速率0.1mm/年。同時根據(jù)設(shè)備員反饋情況，該裝置是備用裝置，只有在主裝置出現(xiàn)問題時才會臨時啟用，一年運行時間只有3個月左右。折算下來腐蝕速率已經(jīng)超過1mm/年。

2 脫氨塔參數(shù)

脫氨塔參數(shù)為：規(guī)格DN2400×14×32950mm，材質(zhì)為Q245R，腐蝕裕量為6mm。

操作參數(shù)：設(shè)計溫度165℃，工作溫度144℃；設(shè)計壓力0.5MPa，工作壓力0.45/0.25MPa；操作介質(zhì)為脫硫水、氨氣、凈化水。

3 脫氨塔的檢驗分析

3.1 脫氨塔的內(nèi)檢情況匯總

為了摸清脫氨塔整體減薄情況，對脫氨塔進行了內(nèi)部擴檢。通過內(nèi)部擴檢發(fā)現(xiàn)。脫氨塔在降液板、液封盤與塔壁形成的小半圓形區(qū)域內(nèi)都存在的嚴重的減薄的情況，結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。且越下層塔盤所對應的小半圓區(qū)域減薄越嚴重。測厚最小值達到了5.5mm。同時對區(qū)域內(nèi)的焊縫進行了熒光MT抽檢，未見表面裂紋缺陷。

圖1 存液區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖）

圖2 存液區(qū)照片（俯視圖）

在塔底的內(nèi)部檢驗中發(fā)現(xiàn)塔下部氨氣進氣管道正對塔壁處腐蝕減薄嚴重，雖然為防沖蝕進行了貼板及擋板防護，但貼板設(shè)置未能對沖蝕部位進行完全的覆蓋，導致貼板的東偏北側(cè)邊緣也發(fā)生了明顯的腐蝕減薄，厚度最小值為7.0mm。位置見圖3圈內(nèi)。

圖3 塔內(nèi)氨氣進氣管道對塔壁的腐蝕減薄

3.2 脫氨塔減薄分析

●3.2.1 進氣孔沖蝕

經(jīng)與設(shè)備管理人員了解，塔下部氨氣進氣管道正對區(qū)域的沖蝕問題之前在使用中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為此特意在進氣管道內(nèi)設(shè)置限流管筒，同時在進氣管道對面設(shè)置了防沖擋板并對減薄部位進行了貼板處理。從圖2也可以看到，限流管筒限制了進氣流向，防沖蝕貼板基本覆蓋了管筒下方的大部分沖蝕區(qū)域。但是氨氣進氣以一定的流速進入到塔內(nèi)，碰到防沖貼板后會反彈向四周擴散，而貼板東偏北區(qū)域由于未進行貼板處理且未設(shè)置防沖擋板，發(fā)生了氨腐蝕。腐蝕形貌見圖4。

圖4 塔下部氨進氣形成的腐蝕形貌

進氣氨氣以一定的速度進入塔內(nèi)，碰到擋板后向四周擴散。在擴散的過程中，速度降低，同時碰到塔壁后溫度有所下降，氨氣、硫化氫與水蒸氣及雜質(zhì)等在塔壁局部形成硫氫化銨水溶液，由于塔的運行溫度較高（操作溫度144℃）。會造成硫氫化銨的局部濃縮，加劇對塔壁的腐蝕。由于東北側(cè)非直接沖刷區(qū)域，氣體在直接裝置貼板反彈到這里速度已經(jīng)降低了很多，會導致此區(qū)域的硫氫化銨結(jié)垢，形成嚴重的垢下腐蝕。

從腐蝕形貌可以看出，形成了許多腐蝕坑，同時表面也有很多腐蝕垢。由于垢在鋼鐵表面不同的區(qū)域覆蓋度不同，不同覆蓋度的區(qū)域之間會形成具有很強的自催化特性的腐蝕電偶，同時，垢層表面與設(shè)備表面的接觸不緊密，易形成膜下缺氧區(qū)，會和周圍的富氧區(qū)形成氧濃度差電池，膜下金屬因缺氧電位較負，腐蝕速率加快[1]。同時進氣介質(zhì)還有硫化氫、氮、氧、水蒸氣及一些其他雜質(zhì)。氨氣與硫化氫很容易反應生成硫氫化銨，其溶液具有很強的腐蝕性，可導致碳鋼設(shè)備的迅速腐蝕。當其中含有氰化物、氮氧等雜質(zhì)時，會導致腐蝕加劇。由介質(zhì)及形貌看，塔下部的腐蝕是酸性水結(jié)垢形成垢下腐蝕造成的。

●3.2.2 降液板處的減薄分析

降液板處的減薄是本次檢驗最先發(fā)現(xiàn)的問題。最初根據(jù)使用單位檢修安排，制定的檢驗方案是外部檢驗，在外部測厚的時候發(fā)現(xiàn)此處厚度異常，實測最小厚度只有7.1mm。初步分析可能是減薄或者分層。進行超聲復驗，排除分層的可能性。由于發(fā)現(xiàn)異常情況，向廠里反映需要對整個塔進行全面的內(nèi)部檢驗。廠里根據(jù)情況緊急對塔進行排空置換。

塔內(nèi)塔盤部分拆除，對外部檢測發(fā)現(xiàn)減薄區(qū)域進行了宏觀檢查及測厚排查，發(fā)現(xiàn)減薄區(qū)域正好位于液封盤、降液板與塔壁圍城的小半圓形區(qū)域內(nèi)（見圖1、圖2）。塔頂留下來的脫硫水與從塔下進來的含雜質(zhì)的氨氣充分反應，變成攜帶有硫、氨等雜質(zhì)的脫硫水，順著塔盤留下，為使反應充分進行并降低液體的下行流速，設(shè)置了降液板與液封盤。在降液板、液封盤與塔壁圍城的區(qū)域內(nèi)，會形成一個臨時的存液處。每層塔盤設(shè)置有一個存液處，正好是沿著塔軸從上至下一南一北分布排列下來的，而發(fā)生減薄的部位正好位于存液處內(nèi)。從降液板設(shè)計上可以看到，在降液板下部有一個折邊，這就導致流下來的液體會順著折邊沖向塔壁，兩邊距離塔壁較近，會對塔壁造成直接的沖刷，中間距離塔壁較遠，沖刷較小。減薄量隨著降液板與塔壁距離的減小而增大。沖刷部位高度位于距離液封盤上方20cm～40cm處。掌握了這個規(guī)律后，筆者對塔內(nèi)所有的存液部位沿著塔盤從上至下進行了全面的測厚排查及熒光MT抽查。

測厚部位最小值見表1。本塔共設(shè)置了30層塔盤，從整體測厚數(shù)據(jù)看，發(fā)生明顯減薄的位置是從第18層塔盤開始。從開始減薄塔盤開始，從上至下共計有13層塔盤，13處存液處。分別統(tǒng)計了小半圓區(qū)域液面波動部位的最小值。分為三個區(qū)域，降液板與塔盤距離較近的東西兩處區(qū)域和中間距離較遠的中部區(qū)域。數(shù)據(jù)見表1。將數(shù)據(jù)統(tǒng)計為折線圖（見圖5，其中橫坐標為塔盤編號，從上至下，縱坐標為厚度值），可以明顯看出越往塔下部，減薄量越大。這也與脫硫水中硫、氨等腐蝕介質(zhì)濃度上升，腐蝕速率增大密切相關(guān)。

表1 存液區(qū)測厚值匯總

圖5 測厚統(tǒng)計折線圖

從減薄部位的宏觀形貌看（見圖6），表面未見明顯的腐蝕坑，也沒有明顯的腐蝕垢。這是因為這些存液處的液體不是一直存放這里，而是流動的，且流速較大，達到足以使腐蝕垢無法附著在塔壁上[2]。經(jīng)與使用單位設(shè)備管理員了解情況。此塔當初設(shè)計的塔徑與原有工況的處理量是匹配的，現(xiàn)在隨著工藝的改進，脫氨塔處理量增加了25%，已經(jīng)超出了原有的設(shè)計承載能力，導致流量增大，流速也相應增大。這就造成了塔內(nèi)沖蝕的加劇。雖然當初塔設(shè)計給了6mm的腐蝕裕量。但由于液體流速已經(jīng)超過了預期，腐蝕裕量已經(jīng)無法滿足當前的運行工況。同時，脫硫水中含有硫、氨等雜質(zhì)，會形成酸性水腐蝕，脫硫水的pH監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，pH值始終保持在10～11的堿性范圍內(nèi)，這就形成了酸性水腐蝕（堿性）的腐蝕機理[3]。再疊加一定流速的沖刷，對碳鋼的腐蝕速率是相當大的。

圖6 存液處減薄位置宏觀形貌

4 結(jié)論

從整體的檢測數(shù)據(jù)以及從廠里得到的設(shè)備參數(shù)、使用工況及介質(zhì)、流速、pH值等相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到脫氨塔減薄的原因主要為以下幾點。

1）塔下部進氣孔所對塔壁減薄是硫氫化銨垢下腐蝕造成的。進氣在撞擊到對面的防沖板后會向四周擴散，同時溫度會降低。在沒有防護貼板的塔壁凝聚形成硫氫化銨腐蝕垢造成垢下腐蝕減薄。

2）塔盤存液處的腐蝕減薄主要是由于脫硫水流速過大造成的沖蝕疊加酸性水腐蝕（堿式）形成的。越往下層塔盤，隨著脫硫水中硫、氨等腐蝕介質(zhì)濃度增大，腐蝕速率也增大。形成從上至下的減薄量逐漸增大的情況。

3）隨著工藝改進，脫氨塔處理量增大25%，造成進液量增大，塔內(nèi)液體流速增大，這是導致近塔的腐蝕速率異常的根本原因。

5 處理措施及改進

1）針對下部進氣相的垢下腐蝕，是由于貼板不全造成。將東北側(cè)腐蝕區(qū)重新處理并貼板可對塔壁進行保護。

2）針對塔盤存液處的腐蝕及沖蝕情況，主要是液體流速過大及液體中腐蝕相濃度過大造成。根據(jù)工藝調(diào)節(jié)進液相流速。根據(jù)相關(guān)文獻，在碳鋼中流速需控制在6m/s以內(nèi)，越小越好[4]。同時，控制脫硫水的pH值，當前pH值為10～11，偏堿性，在堿性環(huán)境中反而增大了酸性水腐蝕（堿式）的腐蝕速率。建議調(diào)節(jié)脫硫水pH值至中性，在7左右。可降低腐蝕速率。

3）降液板下部的折邊本是為了緩流，減少液體流速并降低波動，但是卻造成液體對塔壁的直接沖刷。建議將沖蝕嚴重部位進行貼板或整體材質(zhì)升級。同時需請設(shè)計單位對本次檢驗減薄后的塔的強度及穩(wěn)定性等進行重新復核以確定該設(shè)備整體安全性。

4）如果使用單位還需按照目前的工藝處理量工況運行，建議請相關(guān)設(shè)計單位就本次檢驗發(fā)現(xiàn)問題，重新設(shè)計滿足當前處理量工況的塔以滿足裝置運行的需要。同時對易產(chǎn)生沖蝕的部位提前進行相關(guān)的防沖蝕設(shè)計。

6 思考

1）塔類設(shè)備測厚檢驗的有效覆蓋性。通常檢驗中，對于設(shè)備方案的制定都是依據(jù)該設(shè)備的損傷機理及該設(shè)備的設(shè)計、運行工況就易發(fā)生失效的部位進行宏觀、厚度、表面及埋藏缺陷抽查檢測。表面和無損埋藏缺陷檢測通常會有一個比例。而測厚檢測是無固定比例的。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，測厚抽查部位主要是液體波動部位；物料進口、流動轉(zhuǎn)向、截面突變等易受沖蝕的部位；制造成型時壁厚減薄及使用中易變形磨損的部位；接管部位及宏觀發(fā)現(xiàn)可疑部位。塔類設(shè)備不同于普通簡單的單腔圓筒形容器。由于自身體積大、內(nèi)構(gòu)件多、接管多、內(nèi)部氣液兩相區(qū)域、液體波動區(qū)域都很多且復雜，導致會發(fā)生腐蝕減薄區(qū)域也很多。這就需要在進行塔類檢驗前，制定檢驗方案和進行檢驗檢測的時候要仔細了解塔類的運行工況。詳細分析塔類內(nèi)部介質(zhì)的運行情況。這樣才能在制定檢驗方案和現(xiàn)場檢測時更有針對性，更加有效地降低設(shè)備的運行風險。

2）塔類設(shè)備外部平臺的設(shè)計。塔類設(shè)備由于較高，外部通常會設(shè)計多層平臺以滿足人孔、接管、相關(guān)儀器儀表的檢查及更換的需要。但是通常很少考慮外部檢驗的需求。通過查閱相關(guān)的法規(guī)規(guī)范，很少會涉及外部平臺搭設(shè)考慮設(shè)備外部檢驗的需求。例如本次檢驗，檢驗時由于工藝原料無法倒空，只能進行外部檢驗。而很多易沖蝕的部位外部完全沒有平臺，外部搭架子需要考慮經(jīng)濟成本及安全因素。所以無法進行相關(guān)測厚及無損檢驗。這就產(chǎn)生了塔類外部平臺設(shè)計搭設(shè)與外部檢驗需求的矛盾。在這種高度較高設(shè)備的外部平臺設(shè)計中，要同時兼顧設(shè)備日常維護及塔外部檢修檢驗的需求是迫切需要解決的一個問題。

3）檢驗大數(shù)據(jù)共享。檢驗數(shù)據(jù)相當于是對設(shè)備一個完整運行壽命情況的全面體檢。相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)對于使用單位、設(shè)計單位、制造安裝單位及監(jiān)察部門來說都有很重要的參考價值?？梢詭椭髽I(yè)發(fā)現(xiàn)安全隱患，幫助設(shè)計單位、制造安裝單位發(fā)現(xiàn)缺陷以利于相應的改進措施，幫助監(jiān)察部門對使用單位的整體安全狀況有一個全面的了解。例如本次檢驗發(fā)現(xiàn)的問題，對于設(shè)計單位根據(jù)設(shè)備實際運行情況進行改進設(shè)計就有很重要的意義。而現(xiàn)在檢驗數(shù)據(jù)通常只在使用單位、檢驗單位及監(jiān)察部門使用，且利用率很低，沒有能全面地服務于特種設(shè)備安全。所以如何組建一個平臺，打通設(shè)計、制造、安裝、使用、檢驗及監(jiān)察的各個鏈條。使得鏈條上的每一個節(jié)點數(shù)據(jù)都可以共享并被其他節(jié)點使用。是以后特種設(shè)備安全發(fā)展需要解決的一個問題也是一個大的發(fā)展趨勢。