尿素合成塔腐蝕及應對措施

崔艷蘭(化學工業設備質量監督檢驗中心，江蘇 南京 210036)

0 引言

尿素合成塔作為一種尿素合成裝置，運行過程中容易產生不利于設備運行的介質，在高溫高壓作用下導致腐蝕情況發生，對于設備的損害較大，必須采取相應的措施，科學分析并實施正確的解決方案，這是化工企業運行中需要重視的課題。

1 尿素合成塔腐蝕情況概述

尿素是一種含氮量非常高的化學氮肥，并且化學性質呈中性，在農林業中的使用量較大。目前人工合成尿素的過程主要是在尿素合成塔中完成的。尿素合成塔由于種種原因容易遭受腐蝕，因此探究尿素合成塔腐蝕的原因集預防措施非常的重要。十八世紀七十年代，伊萊爾·羅埃爾首先發現了尿素的存在。1828年的時候，德國化學家弗里德里希·維勒第一次利用無機物合成了尿素，隨著化工技術的發展后來出現了更多人工合成尿素的方法。高溫高壓下進行，二氧化碳、液氨提供，是生成尿素的關鍵設備，尿素合成塔的運行中，腐蝕防護問題一直是技術應用中需要重視的課題。尿素合成塔的腐蝕過程中有其產生原因，工藝介質、溫度等均為導致腐蝕的因素。應從防腐蝕控制措施，技術升級應用方面展開相應的分析，針對工藝指標、溫度控制等措施進行論證[1]。

尿素合成塔的腐蝕一般分為局部腐蝕和均勻腐蝕兩種。均勻腐蝕表現為合成塔內部襯底出現腐蝕，從襯底材料表面開始到焊縫連接部位，會呈現均勻性腐蝕，逐漸發生大面積的質量損失，腐蝕表現是明顯的，但是相對來說危險性較小。局部腐蝕表現為某些區域出現不均勻腐蝕，尤其是在塔頂封頭、環焊帶等部分，腐蝕表現為深度不均勻和分布不均勻，整個設備可以正常運行，但是有局部破裂和窗口現象，容易帶來安全隱患，導致嚴重事故發生危險性較大。尿素合成塔運行一段時間之后進行腐蝕情況的檢查，如針孔、夾渣、裂縫等，應做好及時的處理，以防止出現致命的危險。

2 尿素合成塔腐蝕原因分析

作為一種非常重要的化學氮肥，尿素在生產當中被廣泛使用。尿素一般情況下是通過氨氣以及二氧化碳通過相關的操作手法在高溫及高壓的情況下進行合成而產生的。尿素合成塔是進行尿素合成的過程中使用的裝置，其實際進行運行的情況和尿素生產是否安全以及長效息息相關。在合成過程中，工作介質、溫度、壓力等影響都是產生腐蝕的原因。尿素合成塔主要就在工作壓力為15.5MPa，工作溫度為185℃,工作介質為尿素、氨基甲酸銨、氨、二氧化碳、氧、氮、水、蒸汽等物料環境下運行，極易產生襯里腐蝕，影響合成塔的使用壽命，為生產的安全運行帶來隱患，產生對生產的不利因素。

(1)由于工作介質發生化學反應，在尿素合成塔中出現了中間產物氨基甲胺，這一物質有高溫高壓下溶解的特性，容易形成較強的腐蝕性，合成的尿素又可分成氫氨酸和氫酸的物質，在水中發生電解，生成的氰酸根有強還原性，容易在塔內表面生成氧化膜，導致大面積腐蝕。

(2)由于在溫度控制上出現失誤，導致了介質對不銹鋼的影響較大。隨著溫度的變化，不銹鋼容易發生鈍化，腐蝕速度增強。例如當達到190℃時，合成溶液后氧的含量下降，不銹鋼的腐蝕速度就會發生加快[2]。

(3)氧含量對設備腐蝕的影響經過研究是非常重要的。鈍化膜最低濃度在氧含量濃度達不到的情況下，對不銹鋼的腐蝕加速，氧含量增多，溶液性質發生變化，降低對不銹鋼的腐蝕作用，但是氧化作用還在生成，原料中的二氧化碳硫化物含量加速設備腐蝕，以有機硫的形式進入尿素合成，塔內原料產生二氧化碳中的硫化物具有強還原性，生成一系列的氧化反應，還原反應下氧化硫在溶液中生出硫化物，與不銹鋼的氧化膜發生反應，產生強還原，導致輻射速度加快。

3 尿素合成塔腐蝕應對措施

針對尿素合成塔腐蝕發生原因，結合腐蝕情況和腐蝕的根源提出解決措施，采取的相應措施具有操作性，應對環境參數變化可以及時有效的進行動態控制[3]。尿素合成塔檢修應本著提高設備檢修質量、提高設備鈍化質量、確保焊接質量、開停工及優化操作的目的，定期對上下封頭內襯檢修更換情況、人孔部位殘留的舊襯里情況、人孔密封環部位的結構、設備筒體以及密封環內側立面、人孔法蘭水平密封面內側、殘留的舊襯里表面等區域發生腐蝕形態進行深入分析，操作人員必須了解腐蝕原因和機理，采用科學的方法，選用優質尿素級不銹鋼材料，通過打磨、堆焊、現場車削加工法蘭密封面和檢測等具體的修復方案，完成尿素合成塔人孔密封環等重要部位的修復，確保在腐蝕修復完成后，尿素合成塔運行完好、無泄漏，消除合成塔內由于腐蝕導致存在泄漏隱患，避免防止晶間腐蝕、冷凝腐蝕。首先通過定期的檢查，對于檢修質量予以提升，針對檢修過程不合格的現象進行規避，遵守操作規程，防止升溫速度過快。氧化介質的發生合成塔內的熱膨脹不一致，內部材料扭曲等現象，按照規程進行操作，嚴格控制系統中氧的比例，控制好含氧量，防止含氧量過低，導致的不銹鋼鈍化，或者是含氧量過高，導致的尾氣放空增多。上述措施結合采用合理的氧氣含氣量的控制方法，例如原料二氧化碳通用的氧氣含量在0.8%左右，合成塔穩定操作后，含量可以控制在0.5%左右為宜。對入塔內原料中的水碳比進行嚴格控制，做好上限和下限的設置，防止腐蝕延長設備使用壽命，減緩設備腐蝕，盡可能的使氨碳比例達到上限，水碳比達到下限。入塔原料二氧化碳中的硫化物嚴格控制，防止硫化物過高，導致不銹鋼無法鈍化，無法生成鈍化膜，加速設備腐蝕，控制停車封塔時間盡可能不超過24h。尿素合成塔腐蝕應對措施與材料焊接技術設備安裝的關系緊密，提高操作人員的工作安全意識，提升維護技術水平，做好合成塔的設計、安裝和應用管理，嚴格按照規程執行操作避免合成塔腐蝕現象加劇[4]。

4 尿素合成塔腐蝕防護措施應用分析

某化工公司針對系統裝置進行大修，針對尿素合成塔的腐蝕進行了重點檢查和防護處理，檢查中發現塔內襯存在嚴重腐蝕情況，在塔內襯有8個筒節，5道環焊縫，塔內的分布器、塔盤等，上方母材有明顯腐蝕，具體包括刀口腐蝕，徑向達到5mm左右，內襯的表面大面積麻面。

就對于腐蝕的原因進行分析，主要包括：設備投入運營以來由于設計存在不足，存在二氧化碳轉化率偏低等情況，長期設計水達不到實際運行要求，塔內熱負荷加大，換熱面積設計過小、換熱能力不足等問題一直沒有得到解決。因此使得塔底部長期溫度較低，出液溫度低，缺乏維護給后續設備運行帶來了分解回收的難題。因此導致了二氧化碳轉化率低，游離反應物增多，提高尿素產量的目標不能得到實現，而且分解用蒸汽量增加，也使得提高尿素合成塔的二氧化碳轉化率目的不能實現，無形中提高了產品的成本[5]。

針對腐蝕進行分析，尿素的甲胺本身帶有強腐蝕性，在生產過程中，設備隨著溶液濃度的升高出現了腐蝕的產生因素，在高溫和高壓狀態下，溶液發生了化學反應。造成了尿素合成塔的內部襯里出現了均勻腐蝕。整個合成塔涵蓋的腐蝕類別主要包括：均勻腐蝕和內部腐蝕。經過計算，腐蝕速度為0.1～0.2mm/h，經過檢查，發現尿素合成塔的出液管部分有縫隙腐蝕和沖刷腐蝕，母材在焊接的時候就有了焊縫邊沿的腐蝕。運行之后，刀狀腐蝕出現。在合成塔的進出口還有垢下腐蝕，由于保溫工作不足，還有部分是冷凝腐蝕，塔壁和塔盤之間有一定的沖刷腐蝕。對于影響腐蝕發生的原因進行了分析，認為在工作中，由于溫度、壓力、水碳比等產生了對腐蝕發生的主要作用。

為了提高尿素產量，防止尿素合成塔出現腐蝕的進一步惡化。針對腐蝕嚴重的部位進行了勘察，主要集中在：旋轉口介質物質、塔盤上穿熱管孔徑、襯里和塔盤環縫隙等部位。在甲胺液等作用下，尿素合成塔內的中下部溫度高，反應強烈的腐蝕逐步增大[6]。

針對尿素合成塔生產運行情況采用以下防護措施：

防護措施之一是對原料氣體中的二氧化碳進行成分分析，針對原料二氧化碳氣體中的硫含量進行定期的檢驗，嚴格控制工藝指標、提高合成效率，降低腐蝕率。首先是針對溫度采用平衡轉化率理論，設定條件進行了優化。根據二氧化碳的濃度，運用化學平衡移動原理，提高原料氨氮比提高尿素平衡轉化率，由實驗測定不同氨碳比下平衡轉化率，加入防腐蝕劑，提高原料純度，加入惰性氣體，縮短反應物停留時間，提高原料純度，提高尿素轉化率，降低系統功耗。

改善低負荷操作條件，降低尿素后工段負荷，在運行后進行檢修，嚴禁改變裝置設計工況。改變加防腐空氣的方式，從物料液氨總管加入，確保尿素合成塔的良好工況，防止外排液雜質和腐蝕物離子流入影響設備運行。操作溫度降低，在負荷降低的前提下，調整工藝參數，針對低負荷，操作溫度從190℃降低到185℃，操作壓力隨之降低[7]。

技術人員充分認識尿素合成塔的腐蝕原因，保證正常生產和開停車處理得當，避免盲目操作，掌握尿素合成塔的腐蝕影響規律，對于關鍵設備的腐蝕情況密切監察，杜絕設備在嚴重腐蝕的情況下超負荷運行，做好日常管理和維護工作，確保尿素合成塔安全穩定良好運行。

5 結語

尿素合成塔是化工企業生產尿素的關鍵設備，設計存在不足就會造成運行中出現嚴重腐蝕，因此，從設備的設計到安裝、運行，應加大對設備的管理力度，認真做好合成塔的裝置設計、裝置改造、操作優化等工作，結合理論和實際運行，考察溫度分布情況，運用化工熱力學、化工流體力學、化學反應工程、化學放引起理論、尿素合成理論等，對于影響尿素合成塔安全穩定運行的因素加以分析和判斷，提高物料的純凈程度，做好氣體液體混合技術應用，科學設置物料停留時間等，方能保證塔內游離物質得到有效控制，提高尿素產量，降低能耗，增加效益。