CO2汽提法尿素装置高压设备运行总结

石新光，李运川

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

海洋石油富岛有限公司化肥二部2003年9月建成投产，年产450kt 合成氨、800kt 尿素。该装置投产以来运行超过300d以上的长周期有四次，分别为313d、367d、346d、492d（目前未停车）。其中，尿素装置采用斯塔米卡邦改进型二氧化碳汽提工艺，其高压合成系统由4台高压设备组成：合成塔、汽提塔、高压甲铵冷凝器、高压甲铵洗涤器。

1 装置运行情况

尿素装置自2003年投产已经运行了17a，投产后装置每3a 进行一次大修，每次大修都会对高压设备内部进行检验、测厚及修复等，运行这17a 间，经历过合成塔顶部气相段腐蚀、高压甲铵冷凝器管板损坏、高压甲铵洗涤器筒体两次破裂、换热管泄漏和防爆板破裂等设备损害事故等。17a 间，装置最低负荷为65%，合成塔平均氨碳比为3.05，平均水碳比为0.8，出口尿液中镍含量平均值未出现异常工况；汽提塔出液温度最高纪录为202℃（正常指标为177～185℃，主要是在停车期间），CO2经脱氢反应器后进入汽提塔的O2含量正常控制在0.6%～0.8%，平均O2含量为0.72%，未出现过断氧工况。高压甲铵冷凝器管侧蒸汽冷凝液Cl-含量最高2.5×10-6（2018年闪蒸槽冷凝器列管腐蚀穿孔致循环水进入蒸汽冷凝液系统，2019年更换新设备），正常生产中Cl-平均值为0.17×10-6，低压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。汽提塔运行正常，汽提塔列管逐年列管均匀腐蚀减薄。

2 高压设备运行中出现过的问题及原因分析

2.1 合成塔

2003年投产以来一直运行平稳，这17a 来总共开盖检修7 次，分 别 是2006 年、2009 年、2012 年、2015 年、2016 年、2017年、2019年。检修期间均对合成塔内部进行了宏观检查、衬里测厚及焊缝检测等，并对检查、检测出的缺陷进行修复。

从尿素合成塔历年检查、检修的情况来看，该设备2003—2012年耐蚀构件本身处于正常的全面型均匀腐蚀状态，没有较大的异常腐蚀缺陷情况出现，总体处于完好状态。

2015年大修发现尿素合成塔存在严重的腐蚀问题，主要有两个位置：①在合成塔气液相交汇区域筒体一圈存在严重的针孔腐蚀现象，腐蚀宽度350～400mm。腐蚀区域呈波浪状、蜂窝状、沟状、坑状、点状等不规则形态，并有筒体金属呈片状剥落.最大腐蚀深度约4mm（图1）。②上封头堆焊层与筒节衬里之间过渡段两道环焊缝整圈出现裂纹并局部溃烂，较深的位置裂纹深度达到6～7mm（图2）。大修中，对合成塔气液交汇区域衬里腐蚀深度超过2mm 的位置进行打磨补焊处理，小于2mm 的打磨圆滑过渡。对上封头与筒节的环焊缝裂纹进行了打磨补焊处理。此外，对合成塔上部保温进行了修复，操作上要求合成塔液位调整避开腐蚀部位等维护措施。

图1 合成塔气液交汇处

图2 上封头与筒节环焊缝

2016 年合成塔检修主要为检查处理2015 年大修期间处理的汽液交汇处衬里腐蚀及上封头与筒体衬里连接处两道环焊缝裂纹。共发现裂纹12 处，其中环焊缝11 处均为浅表裂纹，深度未超过1mm，打磨补焊处理。西侧纵焊缝发现一处裂纹深度超过3mm,打磨补焊处理。汽液交汇处衬里未发现裂纹，有局部坑洼不平现象，打磨检测未发现裂纹。衬里测厚10.6～11.0mm，相对2015年数据未出现减薄现象。临时增补金正检测对合成塔进行全面检测，未发现其他缺陷。

2017年检修中未发现气液相交汇处筒体一周有严重腐蚀迹象，为了保证合成塔的安全运行，对尿素合成塔上封头衬里进行更换，新衬里厚度为8mm，材料为X2CrNiMo25-22-2。

2019年检修主要对打磨过的堆焊层进行PT 检测，未发现裂纹，对其他位置堆焊层进行打磨，PT 发现存在多处浅表裂纹，打磨深度1mm 裂纹消除。

合成塔顶部气液交汇区及顶部封头和筒节交汇区出现腐蚀的原因：①顶部封头及气液交汇区保温不好，存在冷凝腐蚀是主要原因；②合成塔顶部在空塔投料时，由于升温钝化合成塔升温钝化温度高，蒸汽冷凝液未排净、投料过快等原因很容易造成顶部超温，最高温度达到225℃，可能产生应力腐蚀；③2012—2015年的大修周期内，尿素装置停车次数较为频繁，共发生过20次停车，其中封塔停车12次。封塔停车过程中，合成塔中氧含量不足，内部钝化膜破裂，再加上超温操作加剧了衬里腐蚀的速率。

2.2 汽提塔

2012年大修期间，对汽提塔列管进行涡流检测，列管减薄有均匀递增趋势，在这个运行周期， 列管有明显的腐蚀减薄，其腐蚀速率为 0.06～0.07mm/a ，为25-22-2型材料在高温高压尿素-甲铵溶液中的理论腐蚀速率高限。单根列管最大腐蚀速率为 0.08mm/a 左右，单根列管最小腐蚀速率为 0.03mm/a 左右，全部列管平均腐蚀速率为 0.06mm/a 左右。

2015 年大修期间，汽提塔列管涡流检测和2012 年检测数据比较，单根列管最小减薄值为0.15mm，最大减薄值为0.60mm，平均减薄值为0.24mm。列管平均腐蚀速率为正常值偏高限，但壁厚值在2.30mm 以下的列管中有约400根列管腐蚀速率较为异常，分析认为：列管已经处于腐蚀加剧期，检查发现部分升气管已处在使用寿命的末期，此次检修更换了80根。

2017年大修期间，更换了3 783根液体分布管进行了更换，其中1 870根为原厂家进口，其余1 913根为更换分布头修复件。同时涡流检测发现壁厚1.9mm 以下的列管有132根。

2019年大修对2017年9月大修检测壁厚1.9mm 以下的132根换热管进行涡流测厚及探伤，并对衬里进行检查，检测的这部分列管平均壁厚1.844mm（2017年9月为1.890mm），腐蚀速率0.03mm/年，其中最薄壁厚1.75mm，共8根。列管为均匀腐蚀，没有较深的冲刷腐蚀沟槽、腐蚀坑，未达到通常考虑堵管的管壁厚（小于1.70mm 以下），故本次检修没有需要堵管的换热管。从安全生产考虑，计划2021年大修将对汽提塔进行整体更换。

汽提塔列管腐蚀减薄的位置集中在中上部，可能原因有：①蒸汽进气口在中上部，对列管有冲刷腐蚀；②中上部温度较高，溶解氧含量相对较低；③中上部为气液交汇处，也存在冲刷腐蚀。

2.3 高压甲铵冷凝器

2015年之前的大修，高压池式冷凝器303C 宏观检查、涡流检测都未发现可记录缺陷，但高压甲铵冷凝器与低压汽包连接的管板上孔板的孔径逐年增大，存在冲刷腐蚀。

2016年 3月，装置区内的4块低压蒸汽冷凝液电导同步上涨，立即组织各级人员对尿素装置蒸汽系统、冷凝液系统、相关设备、吹扫蒸汽、夹套、疏水器、冲洗水、N/C 分析仪等进行全面排查，初步断定为高压甲铵冷凝器发生内漏。4月系统停车后，先后对高压甲铵冷凝器管侧、壳侧进行检查，发现碳钢管板“管桥”出现贯穿性空穴，高压管板发生失效性严重损坏。

原因分析：碳钢管板经受异常冲刷腐蚀，致使管板“管桥”逐渐减薄至贯穿性失效，内部被掏空，不锈钢堆焊层在巨大的压差下出现裂纹，导致与高压相接触的堆焊层不断变形并向已掏空的碳钢侧凸起，由于拉筋的存在（用于在壳程固定管束），致使边缘的拉筋位置处无法同步变形，因此在拉筋位置的下方管桥处造成了局部应力过高，最终导致管束移位，堆焊层变形、产生裂纹，是设备损坏泄漏事故的直接原因。由于该设备属于厂家专利设备，在设备设计、选材、运维等方面，无论是厂家还是我方技术人员均缺乏足够经验，对于一些异常现象认识不够，是造成设备损坏未能及时发现和避免的主要原因。

事故发生后，公司按照专利商和设备制造商共同制定的修理程序组织相关单位对损坏设备进行了临时性修复，历时105d 完成抢修，并投入使用，并按专利商要求增加了对蒸汽冷凝液溶解氧和pH 分析，同时将低压汽包产生的蒸汽量和蒸汽冷凝液循环量比值控制在0.3～0.33。

2017年大修，高压甲铵冷凝器和低压汽包完成整体设备更换。2019年大修高压甲铵冷凝器高压侧检查未发现异常状况，低压侧管箱存在轻微冲刷现象，碳钢管板上部（出口侧）内孔存在冲刷腐蚀现象，实际测量管板孔增大约0.3mm 左右，冲刷腐蚀率在0.2mm/a 左右，下部（进口侧）未发现冲刷情况。

2.4 高压甲铵洗涤器

高压甲铵洗涤器运行17a 间发生过筒体两次破裂、换热管泄漏和防爆板破裂等设备损害事故等。历年大修宏观检查未发现大的隐患缺陷。

2012年4月，尿素停车过程中由于高压调温水温度低（最低92℃），持续时间长，导致高压甲铵洗涤器结晶，开车投料过程中发现工况异常，停车抢修。打开设备人孔后发现内部筒体严重变形，焊缝撕裂30cm 长的裂口，随后进行设备筒体整体更换。其根本原因是：当列管和中心管堵塞后，防爆筒外侧与高压合成塔气相连通，而防爆筒内侧与低压系统连通，并通过下液管与高压喷射器吸气室连通，在筒体外侧高压压力和筒体内侧高压喷射器的抽吸作用下，防爆筒内外压差逐渐增大，最终压迫筒体向内侧变形，直至被撕裂。其特点是，筒体受外力由外向内变形或破裂。

2018年1月，尿素停车过程中，由于高压洗涤器尾气排放阀内漏，主控将此阀全关，导致惰性气体在高压洗涤器中累积。开车过程中高压洗涤器中打水过多，吸收了设备内的NH3和CO2，导致惰性气体达到爆炸极限，在开车过程中打开高压洗涤器尾气阀操作幅度过大，气体高速流动产生静电引发闪爆，筒体内部局部压力急剧上升，造成防爆筒体上的防爆槽破裂。其特点是设备内尾气爆炸，对筒体向外产生推力致使筒体向外变形或破裂。

3 结束语

综上所述，一般正常生产中，维持系统处于正常工艺指标，对设备做好定期维护保养，可以有效防止设备发生事故。发生设备损害事故多发生在开停车过程中，因为事故的发生是瞬时的，不可控的，操作人员稍不留意就会发生事故。因此，对操作人员来说，掌握好开停车操作是最基本也是最关键的要求。