尿素合成塔泄漏失效案例分析

陳玲 孔令雷（化學工業設備質量監督檢驗中心）

尿素合成塔泄漏失效案例分析

陳玲 孔令雷（化學工業設備質量監督檢驗中心）

針對一起尿素合成塔襯里泄漏事故，制定了檢驗方案，按方案實施檢驗，發現缺陷和泄漏原因；并對缺陷產生原因進行了分析。尿素級不銹鋼中的夾雜物部位發生孔蝕，是本次泄漏的根本原因。

尿素合成塔；襯里；泄漏；夾雜物；孔蝕

0 引言

某化工有限責任公司尿素合成裝置（水溶液循環法）所屬2#尿素合成塔在2013年4月開車期間，巡檢人員發現上數第三筒節檢漏管口有大量物料噴出，尿塔襯里發生泄漏，隨即緊急停車。由公司設備管理部門委托我中心進行查漏并進行定期檢驗。以下結合查漏、檢驗過程對本次泄漏事故進行案例分析。

1 尿素合成塔技術資料

尿素合成塔是尿素生產裝置的關鍵設備，水溶液全循環型工藝中的尿素合成塔的化學反應主要分兩步，第一步是二氧化碳和液氨自下封頭進入塔內，在自下向上流動的過程中反應生成甲銨，反應式為：2NH3（液）+CO2（氣）==NH4COONH2+ Q ，該反應為可逆、放熱反應；第二步是甲銨在自下向上流動的過程脫水生成尿素，反應式為：

NH4COONH2== CO（NH2）2+H2O-Q ，該 反 應 為 可 逆、吸熱反應。該臺尿素合成塔的主要技術資料如下：

設計單位：南京化學工業集團有限公司化工機械廠

設計規范：GB9842-88、JO306（IV）、GB150-1998、《容規》

制造單位：南京化學工業集團有限公司化工機械廠

制造規范：GB9842-88、JO306（IV）、GB150-1998、《容規》

容器內徑：Φ1400mm 容積：48.2m3

封頭型式：球形 支座型式：裙座

主體材質：筒體—Q235A（盲層板）+16MnR（多層層板）

封頭—19Mn6

主體厚度：筒體—12+6×1+8×10（層） mm（由內到外）

封頭—110mm

內 襯：X2CrNiMo18.14.3 mod （筒體 襯 里） 25-22-2LMn（帶極堆焊層）

內襯厚度：8mm

設計壓力：21.57MPa實際操作壓力：20.0MPa

設計溫度：195℃ 實際操作溫度：180±2℃

工作介質：尿液、氨基甲酸液（甲銨） 投用日期：2006年8月

2 查漏及檢驗方案

內部檢驗主要內容：宏觀腐蝕檢驗、襯里壁厚測定、內件壁厚測定、宏觀異常部位鐵素體測定、接管角焊縫滲透檢測等；外部檢驗主要內容：壁厚測定、磁粉檢測等；查漏方案：初次查漏時，檢漏系統通入0.1MPa壓縮空氣，內部焊縫及襯里母材刷涂肥皂水檢查漏點。考慮到漏點大小不明，不推薦氨滲漏，否則影響檢驗檢測、作業人員的安全；漏點查明，返修后，檢漏系統通入0.05MPa氣氨，內部焊縫粘貼試紙，噴涂酚酞試劑查漏。

3 內、外部檢驗結果

（1）宏觀腐蝕檢驗主要發現以下缺陷：

A.筒體襯里母材存在多處腐蝕缺陷，主要為制造時襯里點補焊處腐蝕發黑，補焊焊肉腐蝕，補焊收弧腐蝕針孔等。（見圖1、圖2）

圖1 襯里母材腐蝕坑， ?28×6mm深（不是漏點）

圖2 襯里母材補焊點腐蝕發黑、疏松

B.襯里環、縱焊縫存在刀口腐蝕（局部形成蝕坑）、局部腐蝕針孔（包括塔盤座耳角焊縫）等。（見圖3、圖4）

（2）滲透檢測：下封頭液氨管內壁存在18條裂紋，長5.0～10mm。（見圖5）

（3）鐵素體測定：襯里補焊點發黑部位及蝕坑部位鐵素體含量≥0.6% ，遠大于正常部位（≤0.2%）。

（4）漏點檢查：經氣密檢查，發現上數第三筒節襯里距環焊縫200mm處一微型針孔泄漏，此部位宏觀無異常，也不是補焊部位，針孔直徑很小，幾乎不可見，只在氣密刷涂肥皂水時有氣泡產生。

圖3 襯里環焊縫腐蝕針孔

圖4 塔盤座耳角焊縫腐蝕針孔

圖5 液氨進口管內壁裂紋

（5） 其他檢驗檢測項目：襯里均勻腐蝕速率正常，減薄量在0.15mm/年左右；其他均未見異常。

4 主要缺陷產生原因分析

（1）襯里母材腐蝕缺陷：主要是由于襯里板在運輸、吊裝、儲運、卷制、組對、焊接過程中由于保護措施不利，造成襯里表面劃傷、碰傷、焊接飛濺損傷，制造單位對表面劃傷、碰傷、飛濺損傷進行焊接修復，由于未能嚴格執行控制焊接工藝，甚至于焊接材料錯用，造成補焊點焊縫金屬鐵素體超標，在腐蝕性極強的氨基甲酸銨溶液中，補焊部位耐蝕性顯著下降。以?28×6mm深的腐蝕坑為例，鐵素體測定最高達到5%左右，大大超過了0.6%的合格標準，此處制造時焊接修復采用的焊材很可能是用來焊接過渡層的焊接材料，屬于焊接材料誤用；其他處腐蝕發黑疏松、腐蝕坑部位鐵素體基本上也超過0.6%的合格標準，屬于未嚴格執行焊接工藝。 這些缺陷說明制造單位在制造過程中對于一些細節問題處理不當。

（2）液氨進口管內壁裂紋：塔內部液氨管端部與下封頭帶極堆焊層表面基本持平，相關研究資料表明，這種結構存在較大的焊接應力，另外，溫度較低的液氨自液氨管進入后與溫度較高的物料相混合，液氨管角焊縫溫差較大，存在較大的溫差應力。在多種應力的共同作用及液氨流體的沖刷作用下，造成液氨管內壁裂紋。現行設計對此處結構進行了改進，液氨管深入容器內的部分不再與封頭內表面平齊，而是高出封頭內表面20～30mm，這樣使得焊接應力與溫差應力部位錯開，這種結構的液氨管在檢測時未發現過裂紋。

（3） 針孔腐蝕及漏點：孔蝕是尿素合成塔腐蝕缺陷中危害較嚴重的缺陷，一般發生在焊接金屬部位，如襯里環縱焊縫、帶極堆焊層、焊接飛濺等部位。孔蝕直徑可以從零點幾毫米到數毫米，有的孔蝕一旦形成，發展速度很快，可以在較短時間內造成腐蝕穿孔泄漏。孔蝕的腐蝕機理是：介質中含有硫化物或氯離子，尿液中的氨基甲酸根離子，吸附在滯留區的金屬鈍化膜表面，取代表面吸附的氧，產生可溶性金屬化合物，破壞了鈍化膜。孔蝕的發生部位一般在：

A. 不銹鋼中的夾雜物和析出相部位；

B. 焊縫表面和近表面氣孔（皮下氣孔）。

對于表面氣孔，一般在出廠時可以基本上檢出并處理，而對于近表面氣孔，一般不易檢出。在使用過程中，隨著焊縫金屬表面鈍化膜的腐蝕消耗，此類氣孔逐步暴露在腐蝕介質中，形成微電池腐蝕；對于一些孔蝕，由于氯離子、硫化物、氨基甲酸根離子在氣孔尖端富集，孔蝕可以加速發展，短時間內造成腐蝕穿孔泄漏。

本臺尿素合成塔漏點應是產生在襯里板材的夾雜物部位。雖然尿素級不銹鋼板材制造要求極高，但也無法杜絕夾雜物的形成，近表面夾雜物部位很容易成為孔蝕產生的根源。

5 缺陷修復

對于漏點部位：切除部分板材，檢查碳鋼盲層板的腐蝕情況。由于漏點發現、處理及時，盲層板腐蝕情況不嚴重，不需修復；原部位用新板材焊接修復。對泄漏的檢漏空間內殘余的物料進行沖洗。其他缺陷打磨消除，檢測合格后采用氬弧焊進行修復。

［1］強天鵬.壓力容器腐蝕［J］.壓力容器檢驗，2015.

［2］水溶液全循環法尿素合成塔維護檢修規程［P］，SHS05026-2004.

陳玲（1968- ），女 ，工程師，主要從事壓力容器、壓力管道定期檢驗，無損檢測工作。