尿素合成塔的主要破坏形式及预防措施

 

一、尿素合成塔的主要破坏形式

        水溶液全循环法尿素合成塔是用不锈钢和低合金钢制造的多层包扎式高压容器,塔体由多个筒节与上、下封头焊接而成。多层包扎式厚壁圆筒由内筒、盲层与层板3部分组成,内筒采用超低碳奥氏不锈钢板材,在高压状态下要求严密不漏,并具有抵抗介质腐蚀的能力。层板则采用一定的方法使之很好地贴合在内筒上,且与内筒形成一个整体筒节,塔体质量的好坏往往取决于层板间的贴合程度和环焊缝装配及焊接的质量。多层包扎式圆筒在包扎层板时,靠钢丝索拉紧与焊接的收缩作用使各层间存在有预应力,内层受到压紧力,当筒体承受内压时,由于预应力的作用可以抵消部分拉应力,使筒壁内应力较相同条件下的单层筒体分布均匀,可以提高筒体的弹性承载能力。从理论上讲多层包扎厚壁圆筒的壁厚应比相同条件下的单层筒体薄,但因预应力的大小与层板纵焊缝宽度、每层层板上纵焊缝数量、焊接规范、焊接材料、包扎的松紧程度等许多因素有关,在设计时尚无法定量计算。另外,多层包扎式筒体的纵焊缝沿壁厚方向是非连续的,对筒体强度的削弱也较单层筒体小。所以,在设计时仍采用单层厚壁圆筒强度计算公式进行应力计算。

        尿素合成塔在使用过程中产生的主要破坏形式有2种,一是内筒泄漏引起的破坏;二是筒节层板和环焊缝发生应力腐蚀断裂而引起的破坏。

1.内筒的泄漏

        尿素合成塔内的尿素溶液(氨基甲酸铵溶液)在反应中对碳钢有强烈的腐蚀作用,一旦穿过不锈钢内筒流至碳钢层板以后腐蚀速度会急剧增加,在较短时间就可以腐蚀扩展到穿透筒壁。

        内筒的泄漏往往由于内筒上的点腐蚀、缝隙腐蚀、裂纹而引发,在工作条件下引起不锈钢内筒腐蚀的因素很多,其中尿素反应液中存在CI-是产生点腐蚀、缝隙腐蚀及裂纹的主要因素。

2.层板和环焊缝的应力腐蚀断裂

        应力腐蚀断裂的特点是几乎完全没有金属宏观体积上的塑性变形,这种断裂会造成压力容器的灾难性事故。由于应力腐蚀裂纹产生、扩展,一直发展至达到和超过临界裂纹长度需要一个过程。因此,能产生应力腐蚀裂纹的压力容器承受到一定拉应力作用,并不马上发生应力腐蚀断裂,而是在经过一段时间以后(几小时、几日、几月、甚至几年),往往在没有预兆的情况下发生突然断裂。

        上述2种破坏形式中,第二种的预防难度及危害程度显然大于第一种。

二、应力腐蚀断裂发生的条件

        1.一定的拉应力或压力容器金属内部的残余拉应力;

        2.金属本身对应力腐蚀的敏感性;

        3.能引起该金属发生应力腐蚀的介质。

        拉应力、敏感金属、特征腐蚀介质是发生应力腐蚀的三个必要条件,三者缺一,应力腐蚀就不可能发生。

        尿素合成塔的操作压力19.6MPa,筒体存在制造产生的残余应力和工作状态筒壁内外湿差产生的热应力。

        多层板材15MnVR钢是屈服强度为400MPa级普通低合金高强度钢(大多数尿素合成塔的层板都是选用15MnVR钢),虽然有较高的强度,但塑性、韧性都较C-Mn钢低,且有,较高的缺口敏感性和时效敏感性。

        生产区域的工业大气含有氨气、检漏蒸汽中含有的CI-、Na+、NH+3,以及氨渗透试验残留在盲层中(或其他层板贴合间隙之中)的氨。

        由此可见,尿素合成塔在生产运行过程中能够同时具备应力腐蚀断裂发生的三个基本条件。

三、应力腐蚀裂纹易产生的部位

        以往的检验中发现尿素合成塔的应力腐蚀裂纹较多的产生在筒节外层板和环焊缝熔合线上。

        究其原因,腐蚀介质的存在是个关键问题。对于投入运行的尿素合成塔面言,层板的材料在制造过程中已经选定,钢的化学成分、组织结构(包括晶粒大小、形态、相结构及缺陷、加工状态等)决定了层板对应力腐蚀断裂的敏感性。在工作状态下的工作应力、制造产生的残余应力和筒体内外壁温度差而产生的热应力等,也相对稳定。只有腐蚀介质可以随着环境因素而发生变化。产生应力腐蚀裂纹的必要条件之一是合适的金属-环境组合。

环境因素的特性:

        1.腐蚀介质。对一种金属(或合金)只有在特定的腐蚀介质中含有某些对发生应力腐蚀断裂有特效作用的离子、分子时,才会发生应力腐蚀断裂。就尿素合成塔的包扎层板而言,能因用15MnVR钢产生的应力腐蚀断裂的介质有苛性碱溶液、氨溶液、碳酸盐溶液、工业大气。

        2.溶液的浓度。虽然有时溶液的整体浓度是很低的,但是由于局部位置上的浓缩作用,能使该处极易产生局部腐蚀。而一旦腐蚀坑、缝隙或裂纹形成后,该处的介质条件可以发生明显的变化。

        3.温度范围。工作状态下筒体的壁温175~190℃。

        因此,设法控制或消除环境因素中的腐蚀介质和积液应当成为防止发生应力腐蚀断裂的着眼点。控制环境因素,预防应力腐蚀裂纹的形成尤其关键。

四、预防措施

        一般事故的发生往往是在人的不安全行为和物的不安全因素结合在一起时发生的。因此,尿素生产企业在选用符合国家标准要求、且制造质量可靠的尿素合成塔的同时,还应当有符合企业安全生产所需的各项规章制度,这样才能有效地预防事故的发生。

        为了预防内筒泄漏造成的破坏,尿素合城塔在设计上采用了检漏系统,每个筒节上都有检漏管孔,进口在上,出口在下。尿素生产企业在运行中通常采用锅炉蒸汽作为检漏介质,蒸汽压力一般在1.3MPa左右。运用检漏系统能够及时发现险情,有效防止内筒泄漏引发的更大破坏,所以,操作规程中要求蒸气检漏管道畅通无阻。同时,应当严格工艺操作条件,控制CI-的含量,做到不超温、不超压运行,避免点腐蚀、裂纹的产生。

        为了预防层板和环焊缝发生应力腐蚀断裂,应做好以下工作:

(1)对尿素合成塔的工作环境因素做调查分析。了解工业大气中所含腐蚀介质的种类、化学反应性质、气候条件,以及检漏蒸汽中所含腐蚀介质的离子品种、浓度。从技术上进行探索,形成一个安全、可靠的控制腐蚀介质的办法,从而达到预防产生应力腐蚀裂纹的目的。

(2)核对检漏管孔的实际结构与设计图纸是否一致。设计图纸规定:“组焊后必须保证检漏管孔与o8的透气孔贯通,由制造工艺保证。”查看检漏管孔的实际结构能否满足技术要求。

(3)当发现检漏管孔结构与设计图纸不符时,不宜再使用氨渗透试验方法进行内筒检漏。

(4)对已经发生检漏介质在盲层板之外的其他层板贴合间隙里流动的尿素合成塔(蒸汽检漏时透气孔泄漏蒸汽),应当暂时停止使用,及时进行检验及维护检修。

(5)对液氨泵、甲铵泵、二氧化碳压缩机5段缓冲器上装设的安全阀进行检查。安全阀的开启压力不得大于尿素合成塔的设计压力(21.56MPa),并且灵敏可靠。以此保证尿素合成塔在运行中的最高工作压力不会超过设计压力。

(6)由检验机构每年进行1次全面检验,及时发现和处理应力腐蚀裂纹。

        值得提出的是,制造过程中检漏管孔发生的变更在峻工图纸上及其产品质量证明书都没有记录,需要尿素合成塔的使用单位(或检验单位)打开检漏管孔护板查看。

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