尿素高壓設(shè)備的腐蝕及防腐措施

宦月慶

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素設(shè)備腐蝕問題一直影響尿素工業(yè)的發(fā)展，尤其是尿素高壓圈設(shè)備在高溫高壓條件下，當多種化學(xué)物質(zhì)共同作用時，設(shè)備腐蝕問題會更嚴重。國內(nèi)尿素工作者對尿素高壓設(shè)備的腐蝕問題作了大量的分析[1-3]。筆者針對中國五環(huán)工程有限公司(以下簡稱中國五環(huán))承接的某尿素項目高壓設(shè)備在檢修時發(fā)現(xiàn)的腐蝕問題，提出了防范措施。

1 尿素設(shè)備腐蝕的原因

1.1 尿素生產(chǎn)的主要反應(yīng)

以合成法生產(chǎn)尿素的主要原料是氨和二氧化碳，在高溫高壓下進行如下化學(xué)反應(yīng)[4]：

2NH3+CO2=NH2CONH2+H2O

在尿素合成反應(yīng)中，上述反應(yīng)是分兩步進行的，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

ΔH=-100.5kJ/mol

(反應(yīng)條件：P=14.0MPa；t=167℃)

ΔH=+27.6kJ/mol(反應(yīng)溫度t=180℃)

從上述化學(xué)反應(yīng)式可看到：第一步是氨和二氧化碳生成氨基甲酸銨(如下簡稱甲銨)的反應(yīng)，這是一個可逆的強放熱反應(yīng)；第二步是甲銨脫水生成尿素的反應(yīng)，這是一個微吸熱可逆反應(yīng)。

1.2 尿素設(shè)備腐蝕機理

尿素系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕的機理一直是眾多尿素腐蝕研究學(xué)者關(guān)注的重要課題。雖然論點很多，見解存在差異，但普遍認為是由工藝過程的中間產(chǎn)物的化學(xué)腐蝕和在高溫高壓下介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕所致。

1.2.1中間產(chǎn)物的化學(xué)腐蝕

從上述反應(yīng)式中可看出，尿素合成反應(yīng)物中存在NH3、CO2、NH4COONH2、NH2CONH2和H2O，除此之外，還有微量的H2S、NH4CNO和HCNO等物質(zhì)。而NH4COONH2、HN3、H2O、H2S、HCNO等物質(zhì)，在高溫(>100℃)、高壓下，特別在共存時，有強烈的腐蝕作用。

1.2.2介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕

2 4臺尿素高壓設(shè)備內(nèi)部腐蝕情況

由中國五環(huán)設(shè)計的15萬t/a尿素裝置搬遷改造項目，2014年1月正式投入生產(chǎn)，至今已安全穩(wěn)定運行6年，其中，2015年12月進行了系統(tǒng)首次停車全面檢查，并于2018年底再次停車全面檢查，現(xiàn)對4臺尿素高壓設(shè)備腐蝕情況作介紹。

2.1 高壓冷凝反應(yīng)器

人孔密封面為25-22-2材質(zhì)，呈銀白色，光亮，有效密封面完好，密封面見圖1。管箱筒體襯里25-22-2材質(zhì)，表面呈棕褐色，處于正常均勻腐蝕，局部有裂紋腐蝕(見圖2)，筒體襯里厚度為7.8～8.2mm，數(shù)據(jù)正常。換熱管管頭及與管板焊接接頭呈銀白色，光亮，處于正常均勻腐蝕狀態(tài)(見圖3)。球封頭開孔接管內(nèi)壁腐蝕均勻，焊接接頭采用25-22-2堆焊，表面呈銀白色，腐蝕情況良好(見圖4)。

圖1 人孔密封面

圖2 管箱筒體局部裂紋腐蝕狀態(tài)

圖3 換熱管及焊接接頭腐蝕狀態(tài)

圖4 工藝接管內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)

2.2 二氧化碳汽提塔

人孔平蓋為25-22-2材質(zhì)，人孔大蓋襯里表面呈棕褐色，耐腐蝕堆焊層局部腐蝕(腐蝕疏松)，管箱筒體襯里為25-22-2材質(zhì)，呈棕褐色，均勻腐蝕(見圖5)，筒體襯里厚度為8.2～8.7mm，數(shù)據(jù)正常。氣相區(qū)襯里(封頭耐腐蝕堆焊層、管箱筒體襯里)表面有不致密的氣相垢層覆蓋，均處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。封頭耐腐蝕堆焊層為25-22-2材質(zhì)的帶極堆焊層，襯里焊縫呈銀白色，焊道較清晰，處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。管板耐蝕堆焊層為25-22-2材質(zhì)的帶極堆焊層，表面呈銀白色，處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。分布器管頭呈棕褐色，局部腐蝕較嚴重(見圖6)。

圖5 管箱筒體腐蝕狀態(tài)

圖6 分布器管頭腐蝕狀態(tài)

2.3 高壓洗滌器

該設(shè)備襯里及其焊縫、列管及其角焊縫、內(nèi)件及其連接焊縫處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。球形封頭內(nèi)耐蝕層為25-22-2材質(zhì)的帶極堆焊層和手工堆焊層，氣相區(qū)表面有不致密的氣相垢層覆蓋；球形封頭的帶極堆焊層局部腐蝕(氣孔、腐蝕疏松)。

2.4 尿素合成塔

筒體襯里為25-22-2材質(zhì)，呈棕褐色，表面稍粗糙，正常均勻腐蝕氣相區(qū)有不致密的氣相垢層覆蓋，液相區(qū)呈銀白色、光亮，焊道清晰，均處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。上封頭帶極堆焊層表面有7處表面缺陷(腐蝕疏松)。下封頭耐蝕堆焊層為25-22-2材質(zhì)的帶極堆焊層，處于液相區(qū)，表面呈銀白色、光亮，處于正常均勻腐蝕狀態(tài)。

3 防止高壓設(shè)備腐蝕的措施

根據(jù)尿素高壓設(shè)備腐蝕機理，影響設(shè)備腐蝕的因素主要有使用材料、介質(zhì)溫度及其組成等方面。因此，可從以下幾個方面采取相應(yīng)措施。

(1)設(shè)備選材。尿素高壓設(shè)備設(shè)計選材時，應(yīng)根據(jù)腐蝕特征選用專用尿素級不銹鋼材料，耐腐蝕性強。從本項目尿素高壓設(shè)備選材來看，高壓尿素接管材質(zhì)，一般采用X2CrNiMoN17133(mod)，高壓管內(nèi)表面有磨蝕、不光滑，顏色為棕色，有腐蝕情況。人孔平蓋、管箱筒體、球封頭堆焊和筒體襯里為X1CrNiMoN25-22-2，腐蝕均勻，耐腐蝕性很好。

因此，在今后的尿素高壓設(shè)備設(shè)計中，高壓接管的尿素級不銹鋼選擇X1CrNiMoN25-22-2，以保證設(shè)備耐腐蝕性能一致，提高設(shè)備的使用壽命。

(2)制造過程中應(yīng)嚴格把控質(zhì)量，詳細檢查進口原材料的質(zhì)量合格證書，并復(fù)驗。焊接中避免各種焊接缺陷，鐵素體含量≤3%。尿素級不銹鋼25-22-2的手工焊、帶極堆焊的焊接工藝評定必須通過尿素高壓設(shè)備標準規(guī)定的焊接工藝評定和焊工的考試資格認定。焊接工藝評定試件的晶間腐蝕試驗必須通過尿素高壓設(shè)備腐蝕試驗標準規(guī)定的合格指標。對于尿素高壓設(shè)備換熱管與管板手工焊接和堆焊、帶極自動堆焊必須遵循評定合格的焊接工藝和考試合格的焊工施焊。從汽提塔管箱襯里的局部腐蝕情況看，設(shè)備襯里的制造過程中應(yīng)嚴格保護金屬表面，不得有劃傷、污染拆皺等損傷。

(3)系統(tǒng)開、停車方面。開車前可使用雙氧水或純氧在設(shè)備內(nèi)表面形成一層致密的鈍化膜，起到耐腐蝕作用。停車封塔前可增加系統(tǒng)的含氧量，盡量減少裝置開停車次數(shù)，短停封塔時間不能超過24h。

(4)運行過程中防腐處理。嚴格控制設(shè)備操作溫度上限；保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，定量連續(xù)加雙氧水或純氧防腐。提高系統(tǒng)的氨碳比，降低水碳比，嚴格控制氧含量≥0.6%～0.8%(體積分數(shù))，保證尿素級不銹鋼材料鈍化膜，不受破壞。

4 結(jié)語

4臺高壓設(shè)備是尿素裝置生產(chǎn)的核心設(shè)備，較好地判斷設(shè)備腐蝕情況，并及時采取相應(yīng)的措施進行防腐，不僅可以提高設(shè)備的使用壽命，保證尿素系統(tǒng)的穩(wěn)定和長周期運行，還可以為檢修和維護提供可靠的依據(jù)。