大型化肥廠尿素高壓設備腐蝕現狀及對策

劉興端

（四川天華股份有限公司，四川瀘州 646207）

0 引言

化肥廠尿素生產中產生的設備腐蝕問題是影響尿素工業發展的關鍵問題。在大型化肥廠尿素高溫、高壓生產環境中，尿素高壓設備受環境及各種化學物質的共同作用，加重了設備的腐蝕程度。尿素高壓設備的防腐蝕研究是相關行業領域的重要課題。當前，在大型化肥廠尿素生產中，尿素高壓設備腐蝕問題較為顯著，通過對其腐蝕現狀進行分析，探討有效的防范對策，是提高尿素生產效率、促進大型化肥廠持續發展的重要內容。

1 尿素高壓設備腐蝕分析

1.1 尿素生產的腐蝕機理

尿素在生產過程中產生的設備腐蝕問題，是由于在工藝過程中各種化學性腐蝕與高溫高壓下介質電化學腐蝕共同作用造成的。其中，中間化學物質的化學性腐蝕包括：①氨基甲酸根的還原性抑制鈍化型金屬表面氧化膜的形成，造成金屬活化腐蝕；②氰酸根的強還原性抑制金屬中鈍化膜的形成從而導致嚴重活化腐蝕；③氨與不銹鋼中各種元素的氧化物反應形成絡合物，使其表面氧化膜遭到破壞；④在尿素甲銨液中，不銹鋼會與介質發生羰基化反應，進而形成金屬羰基化合物，導致金屬溶解到介質中發生腐蝕。電化學腐蝕主要是由于尿素甲銨液中包含NH4+、COONH2-、CO32-等離子，受高溫高壓環境影響變成強電解質，導電性增強，從而在金屬表面形成微電池。

1.2 尿素高壓設備腐蝕特點與類型

尿素生產過程中，高壓設備在腐蝕介質中除了受到一般腐蝕外，還會出現局部腐蝕情況。具體包括：①均勻腐蝕會導致金屬表面粗糙、無光澤，并且一般是在尿素甲銨液高溫、缺氧、甲銨液濃度高，以及可以生成甲氨冷凝液的氣相中出現；②點蝕與縫隙腐蝕，點蝕是指在金屬表面特定點形成腐蝕口，并且其他表面部分仍舊有鈍態氧化物保護膜的腐蝕形式；縫隙腐蝕則是在金屬與其他物體連接的縫隙中發生腐蝕的情況；③晶間腐蝕主要是腐蝕介質沿晶間進行，導致尿素用鋼形成裂紋，這種腐蝕可能在表現上的不會出現明顯變化，但卻可能嚴重影響設備機械強度；④選擇性腐蝕即尿素甲銨液對雙相鋼及其焊縫的選擇性腐蝕能力；⑤應力腐蝕，即受到腐蝕與應力的共同作用，導致金屬出現局部腐蝕的情況，在尿素生產中，通常受壓力作用導致金屬表面壓力不恒定，產生交變壓力，導致腐蝕發生；⑥疲勞腐蝕是指腐蝕介質和應力共同作用，應力造成金屬表面產生小裂紋，而腐蝕介質會使裂紋增大，形成晶間或穿晶型裂縫；⑦冷凝腐蝕是指受溫度影響，形成甲氨冷凝液，破壞金屬表面氧化膜，導致金屬腐蝕。

1.3 尿素生產各環節對尿素高壓設備腐蝕的影響

在正常生產過程中，尿素生產工藝流程操作過程中各項因素均會影響尿素高壓設備的腐蝕。具體包括：①溫度，超溫幅度越大、時間越長，對高壓設備的腐蝕程度越高；②氨碳比，純氨對碳鋼的腐蝕強度不高，并且氨還可以中和溶液pH 值，抑制氰酸、氰酸氨生成，能夠有效降低腐蝕，提高合成反應氨碳比，可以提高防腐蝕效果；③水碳比，控制水碳比能夠降低介質對設備腐蝕；④甲銨液濃度，隨著甲銨濃度增加，溫度越高腐蝕性越強；⑤氧含量，增加尿素甲銨液中氧氣含量，能夠有效隔離金屬表面與腐蝕介質，降低腐蝕程度；⑥氯離子，控制尿素生產股構成中甲銨液、蒸汽及其冷凝液氯離子含量，能夠有效降低腐蝕程度。

在開停車過程中對尿素腐蝕影響包括：在正常封塔停工情況下，反應液仍舊保留在高壓系統中，如果操作和維護不當，可能會對設備造成嚴重腐蝕。在開停工時，汽提塔出液問題可能會超標，造成汽提塔腐蝕。在封塔期間，鎳含量積累導致封塔開工時鎳含量指標高于正常值，也是腐蝕嚴重所致。在系統開工時，高壓設備處于常溫水平，由于設備構成材料不同，其熱膨脹系數也有所差異，在物料投入后發生反應產業的大量反應熱，會使設備產生變形損傷。同時，在投料開通時，壓縮機組低負荷與高壓氨泵滿負荷量對應操作，開車初期系統低負荷運行，會造成一定程度的設備腐蝕。

2 尿素高壓設備腐蝕現狀

以某大型化肥廠為例，其尿素高壓生產設備在2015 年進行項目改造，距今已經運行6 年時間，其中，在2016 年底、2019 年底分別進行過停車全面檢查。當前該廠尿素高壓設備腐蝕情況如下。

2.1 高壓冷凝反應器

高壓冷凝反應器人孔密封面的材料為25-22-2 材料，檢查階段設備密封面仍舊保持完好，且表現呈現銀白色，光澤度良好；管箱筒體襯里與人孔密封面材料相同，其表面出現正常的均勻腐蝕情況，顏色呈現棕褐色，局部發生裂紋腐蝕，襯里的厚度最薄處為7.8 mm，最厚處為8.2 mm，屬于正常水平；換熱管管頭及管身與管板焊接部位的接頭呈現銀白色，光澤度良好，腐蝕情況為正常均勻腐蝕；工藝接管內壁腐蝕狀態中，球封頭開孔接管內部的腐蝕狀況較為均勻，焊接接頭為堆焊形式，25-22-2 材料，銀白色表面，腐蝕情況良好。

2.2 汽提塔

汽提塔上部氣相部位冷凝腐蝕問題較為顯著。人孔平蓋材料ASTM A266Gr.2+ASTM A265Gr.1 材料，人孔大蓋的襯里表現呈現出棕褐色，耐腐蝕堆焊層發生局部腐蝕；管箱筒體襯里材料為ASTM A302Gr.B+ASTM A265Gr.1，表面呈現棕褐色，腐蝕狀態為均勻腐蝕，管筒體襯里的厚度最薄8.2 mm、最厚8.7 mm，屬正常水平；氣相區襯里表面覆蓋著不致密的氣相垢層，包括封頭耐腐蝕堆焊層、管箱筒體襯里，腐蝕狀態均為正常均勻腐蝕。封頭耐腐蝕堆焊層為帶極堆焊層，襯里焊縫表面顏色為銀白色，焊道較為清晰，腐蝕狀態正常均勻；管板耐腐蝕堆焊層的帶極堆焊層表面呈銀白色，腐蝕狀態正常均勻；分布器管頭位置腐蝕情況較為嚴重，表面呈棕褐色，局部腐蝕。

2.3 尿素合成塔

尿素合成塔設備筒體襯里材料為316LMOD，表面較為粗糙，呈現棕褐色，在氣相區正常均勻腐蝕部位，覆蓋不致密氣相垢層，在液相區表面光澤度良好，成銀白色，焊道清楚，腐蝕狀態為正常均勻腐蝕。上封頭帶極堆焊層表面發生疏松表面腐蝕的部位共有6 處；下封頭耐腐蝕堆焊層為帶極堆焊層，位于液相區，表面光澤度良好，呈銀白色，腐蝕狀態正常均勻。

3 尿素高壓設備防止腐蝕的有效措施

根據大型化肥廠尿素高壓設備腐蝕現狀以及尿素生產過程中高壓設備腐蝕的機理、特點以及影響因素分析，得出影響尿素高壓設備腐蝕的原因包括使用材料、介質溫度、介質組成等方面。據此可以制定有效的防止高壓設備腐蝕的措施。

3.1 選擇合適的設備材料

尿素生產過程中，設備材料是影響設備腐蝕情況的關鍵因素，在進行尿素高壓設備設計選材過程中，需要充分考慮材料的耐腐蝕特征，選擇專用的尿素級不銹鋼材料，增強設備的耐腐蝕性能。根據化肥廠尿素高壓設備腐蝕情況，在設備選材中，對于高壓尿素接管材料，選用的是316LMOD，高壓管內部表面產生一定的腐蝕情況，表面較為粗糙，呈現棕色；在人孔平蓋材料為ASTM A266Gr.2+ASTM A265Gr.1，呈現出棕褐色，耐腐蝕堆焊層發生局部腐蝕情況；管箱筒體及其襯里、球封頭堆焊層的材料均為ASTM A302Gr.B+ASTM A265Gr.1，其呈現出良好的耐腐蝕性，腐蝕狀態均為正常均勻腐蝕。因此，在化肥廠尿素高壓設備材料選擇中，可以提高對ASTM A302Gr.B+ASTM A265Gr.1材料的專業尿素級不銹鋼選擇，提高尿素高壓設備的耐腐蝕性，使其耐腐蝕性能一致，延長設備的使用壽命。

3.2 嚴格把控設備制造過程

在設備制造過程中，應當加強對設備材料質量的嚴格把控，加強對材料設備的復驗，確保材料質量合格。在焊接制造中，嚴格控制鐵素體的含量，一般不高于3%，避免出現焊接缺陷；確保焊接工藝符合標準要求，尤其是在不銹鋼25-22-2 材料進行手工焊接、帶極堆焊過程中，焊接工藝必須要滿足尿素高壓設備標準中相關的焊接工藝評定標準，同時保證焊接人員達到相應的焊接工程資格認定標準。在對焊接工藝評定試件晶間腐蝕情況進行試驗時，必須要保障試驗結果能夠達到尿素高壓設備腐蝕試驗標準中的相關指標規定標準。同時，在尿素高壓設備中，換熱管、管板手工焊接、堆焊、帶極堆焊等，必須要運用滿足評定標準的焊接工藝以及由具備相應焊接施工資質的焊接工人操作。根據汽提塔管箱襯里中發生的局部腐蝕情況分析，在設備制造過程中，需要加強對設備襯里金屬表面的保護力度，確保襯里表面沒有劃傷、折皺等損傷情況，避免加重腐蝕。

3.3 尿素生產開停車過程

在開車前，可以利用雙氧水或純氧增加設備內表面的含氧量，促進金屬表面氧化膜的形成，使其表面處于鈍化狀態，從而有效隔離金屬表面與耐腐蝕介質，增強設備的耐腐蝕性。在停車封塔時，可以通過增加高壓系統的含氧量，同時嚴格控制封塔時間，一般不超過24 h，同時盡可能減少開停車次數。

3.4 設備運行中的防腐措施

在尿素生產過程中，將設備操作溫度控制在合理范圍內；確保系統運行的穩定性，在系統中連續定量加雙氧水或純氧，增強耐腐蝕性。合理提升系統氨碳比、控制水碳比，控制含氧量在0.6%（體積分數）以上，保證在不銹鋼設備表面形成穩定的鈍化膜，從而有效提升設備耐腐蝕性。

4 結束語

大型化肥廠尿素高壓設備是化肥廠生產設備的關鍵組成，提高高壓設備的耐腐蝕性，并做好相應的設備防腐措施，維護設備穩定運行，有效延長設備的使用壽命，是提高化肥廠尿素生產效率，穩定化肥廠經濟效益的重要保障。