CO2汽提法尿素裝置高壓設備運行總結

石新光，李運川

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

海洋石油富島有限公司化肥二部2003年9月建成投產，年產450kt 合成氨、800kt 尿素。該裝置投產以來運行超過300d以上的長周期有四次，分別為313d、367d、346d、492d（目前未停車）。其中，尿素裝置采用斯塔米卡邦改進型二氧化碳汽提工藝，其高壓合成系統由4臺高壓設備組成：合成塔、汽提塔、高壓甲銨冷凝器、高壓甲銨洗滌器。

1 裝置運行情況

尿素裝置自2003年投產已經運行了17a，投產后裝置每3a 進行一次大修，每次大修都會對高壓設備內部進行檢驗、測厚及修復等，運行這17a 間，經歷過合成塔頂部氣相段腐蝕、高壓甲銨冷凝器管板損壞、高壓甲銨洗滌器筒體兩次破裂、換熱管泄漏和防爆板破裂等設備損害事故等。17a 間，裝置最低負荷為65%，合成塔平均氨碳比為3.05，平均水碳比為0.8，出口尿液中鎳含量平均值未出現異常工況；汽提塔出液溫度最高紀錄為202℃（正常指標為177～185℃，主要是在停車期間），CO2經脫氫反應器后進入汽提塔的O2含量正常控制在0.6%～0.8%，平均O2含量為0.72%，未出現過斷氧工況。高壓甲銨冷凝器管側蒸汽冷凝液Cl-含量最高2.5×10-6（2018年閃蒸槽冷凝器列管腐蝕穿孔致循環水進入蒸汽冷凝液系統，2019年更換新設備），正常生產中Cl-平均值為0.17×10-6，低壓汽包蒸汽冷凝液每天排放4次，每次以8t/h 流量排放20min左右。汽提塔運行正常，汽提塔列管逐年列管均勻腐蝕減薄。

2 高壓設備運行中出現過的問題及原因分析

2.1 合成塔

2003年投產以來一直運行平穩，這17a 來總共開蓋檢修7 次，分 別 是2006 年、2009 年、2012 年、2015 年、2016 年、2017年、2019年。檢修期間均對合成塔內部進行了宏觀檢查、襯里測厚及焊縫檢測等，并對檢查、檢測出的缺陷進行修復。

從尿素合成塔歷年檢查、檢修的情況來看，該設備2003—2012年耐蝕構件本身處于正常的全面型均勻腐蝕狀態，沒有較大的異常腐蝕缺陷情況出現，總體處于完好狀態。

2015年大修發現尿素合成塔存在嚴重的腐蝕問題，主要有兩個位置：①在合成塔氣液相交匯區域筒體一圈存在嚴重的針孔腐蝕現象，腐蝕寬度350～400mm。腐蝕區域呈波浪狀、蜂窩狀、溝狀、坑狀、點狀等不規則形態，并有筒體金屬呈片狀剝落.最大腐蝕深度約4mm（圖1）。②上封頭堆焊層與筒節襯里之間過渡段兩道環焊縫整圈出現裂紋并局部潰爛，較深的位置裂紋深度達到6～7mm（圖2）。大修中，對合成塔氣液交匯區域襯里腐蝕深度超過2mm 的位置進行打磨補焊處理，小于2mm 的打磨圓滑過渡。對上封頭與筒節的環焊縫裂紋進行了打磨補焊處理。此外，對合成塔上部保溫進行了修復，操作上要求合成塔液位調整避開腐蝕部位等維護措施。

圖1 合成塔氣液交匯處

圖2 上封頭與筒節環焊縫

2016 年合成塔檢修主要為檢查處理2015 年大修期間處理的汽液交匯處襯里腐蝕及上封頭與筒體襯里連接處兩道環焊縫裂紋。共發現裂紋12 處，其中環焊縫11 處均為淺表裂紋，深度未超過1mm，打磨補焊處理。西側縱焊縫發現一處裂紋深度超過3mm,打磨補焊處理。汽液交匯處襯里未發現裂紋，有局部坑洼不平現象，打磨檢測未發現裂紋。襯里測厚10.6～11.0mm，相對2015年數據未出現減薄現象。臨時增補金正檢測對合成塔進行全面檢測，未發現其他缺陷。

2017年檢修中未發現氣液相交匯處筒體一周有嚴重腐蝕跡象，為了保證合成塔的安全運行，對尿素合成塔上封頭襯里進行更換，新襯里厚度為8mm，材料為X2CrNiMo25-22-2。

2019年檢修主要對打磨過的堆焊層進行PT 檢測，未發現裂紋，對其他位置堆焊層進行打磨，PT 發現存在多處淺表裂紋，打磨深度1mm 裂紋消除。

合成塔頂部氣液交匯區及頂部封頭和筒節交匯區出現腐蝕的原因：①頂部封頭及氣液交匯區保溫不好，存在冷凝腐蝕是主要原因；②合成塔頂部在空塔投料時，由于升溫鈍化合成塔升溫鈍化溫度高，蒸汽冷凝液未排凈、投料過快等原因很容易造成頂部超溫，最高溫度達到225℃，可能產生應力腐蝕；③2012—2015年的大修周期內，尿素裝置停車次數較為頻繁，共發生過20次停車，其中封塔停車12次。封塔停車過程中，合成塔中氧含量不足，內部鈍化膜破裂，再加上超溫操作加劇了襯里腐蝕的速率。

2.2 汽提塔

2012年大修期間，對汽提塔列管進行渦流檢測，列管減薄有均勻遞增趨勢，在這個運行周期， 列管有明顯的腐蝕減薄，其腐蝕速率為 0.06～0.07mm/a ，為25-22-2型材料在高溫高壓尿素-甲銨溶液中的理論腐蝕速率高限。單根列管最大腐蝕速率為 0.08mm/a 左右，單根列管最小腐蝕速率為 0.03mm/a 左右，全部列管平均腐蝕速率為 0.06mm/a 左右。

2015 年大修期間，汽提塔列管渦流檢測和2012 年檢測數據比較，單根列管最小減薄值為0.15mm，最大減薄值為0.60mm，平均減薄值為0.24mm。列管平均腐蝕速率為正常值偏高限，但壁厚值在2.30mm 以下的列管中有約400根列管腐蝕速率較為異常，分析認為：列管已經處于腐蝕加劇期，檢查發現部分升氣管已處在使用壽命的末期，此次檢修更換了80根。

2017年大修期間，更換了3 783根液體分布管進行了更換，其中1 870根為原廠家進口，其余1 913根為更換分布頭修復件。同時渦流檢測發現壁厚1.9mm 以下的列管有132根。

2019年大修對2017年9月大修檢測壁厚1.9mm 以下的132根換熱管進行渦流測厚及探傷，并對襯里進行檢查，檢測的這部分列管平均壁厚1.844mm（2017年9月為1.890mm），腐蝕速率0.03mm/年，其中最薄壁厚1.75mm，共8根。列管為均勻腐蝕，沒有較深的沖刷腐蝕溝槽、腐蝕坑，未達到通常考慮堵管的管壁厚（小于1.70mm 以下），故本次檢修沒有需要堵管的換熱管。從安全生產考慮，計劃2021年大修將對汽提塔進行整體更換。

汽提塔列管腐蝕減薄的位置集中在中上部，可能原因有：①蒸汽進氣口在中上部，對列管有沖刷腐蝕；②中上部溫度較高，溶解氧含量相對較低；③中上部為氣液交匯處，也存在沖刷腐蝕。

2.3 高壓甲銨冷凝器

2015年之前的大修，高壓池式冷凝器303C 宏觀檢查、渦流檢測都未發現可記錄缺陷，但高壓甲銨冷凝器與低壓汽包連接的管板上孔板的孔徑逐年增大，存在沖刷腐蝕。

2016年 3月，裝置區內的4塊低壓蒸汽冷凝液電導同步上漲，立即組織各級人員對尿素裝置蒸汽系統、冷凝液系統、相關設備、吹掃蒸汽、夾套、疏水器、沖洗水、N/C 分析儀等進行全面排查，初步斷定為高壓甲銨冷凝器發生內漏。4月系統停車后，先后對高壓甲銨冷凝器管側、殼側進行檢查，發現碳鋼管板“管橋”出現貫穿性空穴，高壓管板發生失效性嚴重損壞。

原因分析：碳鋼管板經受異常沖刷腐蝕，致使管板“管橋”逐漸減薄至貫穿性失效，內部被掏空，不銹鋼堆焊層在巨大的壓差下出現裂紋，導致與高壓相接觸的堆焊層不斷變形并向已掏空的碳鋼側凸起，由于拉筋的存在（用于在殼程固定管束），致使邊緣的拉筋位置處無法同步變形，因此在拉筋位置的下方管橋處造成了局部應力過高，最終導致管束移位，堆焊層變形、產生裂紋，是設備損壞泄漏事故的直接原因。由于該設備屬于廠家專利設備，在設備設計、選材、運維等方面，無論是廠家還是我方技術人員均缺乏足夠經驗，對于一些異常現象認識不夠，是造成設備損壞未能及時發現和避免的主要原因。

事故發生后，公司按照專利商和設備制造商共同制定的修理程序組織相關單位對損壞設備進行了臨時性修復，歷時105d 完成搶修，并投入使用，并按專利商要求增加了對蒸汽冷凝液溶解氧和pH 分析，同時將低壓汽包產生的蒸汽量和蒸汽冷凝液循環量比值控制在0.3～0.33。

2017年大修，高壓甲銨冷凝器和低壓汽包完成整體設備更換。2019年大修高壓甲銨冷凝器高壓側檢查未發現異常狀況，低壓側管箱存在輕微沖刷現象，碳鋼管板上部（出口側）內孔存在沖刷腐蝕現象，實際測量管板孔增大約0.3mm 左右，沖刷腐蝕率在0.2mm/a 左右，下部（進口側）未發現沖刷情況。

2.4 高壓甲銨洗滌器

高壓甲銨洗滌器運行17a 間發生過筒體兩次破裂、換熱管泄漏和防爆板破裂等設備損害事故等。歷年大修宏觀檢查未發現大的隱患缺陷。

2012年4月，尿素停車過程中由于高壓調溫水溫度低（最低92℃），持續時間長，導致高壓甲銨洗滌器結晶，開車投料過程中發現工況異常，停車搶修。打開設備人孔后發現內部筒體嚴重變形，焊縫撕裂30cm 長的裂口，隨后進行設備筒體整體更換。其根本原因是：當列管和中心管堵塞后，防爆筒外側與高壓合成塔氣相連通，而防爆筒內側與低壓系統連通，并通過下液管與高壓噴射器吸氣室連通，在筒體外側高壓壓力和筒體內側高壓噴射器的抽吸作用下，防爆筒內外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內側變形，直至被撕裂。其特點是，筒體受外力由外向內變形或破裂。

2018年1月，尿素停車過程中，由于高壓洗滌器尾氣排放閥內漏，主控將此閥全關，導致惰性氣體在高壓洗滌器中累積。開車過程中高壓洗滌器中打水過多，吸收了設備內的NH3和CO2，導致惰性氣體達到爆炸極限，在開車過程中打開高壓洗滌器尾氣閥操作幅度過大，氣體高速流動產生靜電引發閃爆，筒體內部局部壓力急劇上升，造成防爆筒體上的防爆槽破裂。其特點是設備內尾氣爆炸，對筒體向外產生推力致使筒體向外變形或破裂。

3 結束語

綜上所述，一般正常生產中，維持系統處于正常工藝指標，對設備做好定期維護保養，可以有效防止設備發生事故。發生設備損害事故多發生在開停車過程中，因為事故的發生是瞬時的，不可控的，操作人員稍不留意就會發生事故。因此，對操作人員來說，掌握好開停車操作是最基本也是最關鍵的要求。