浅谈尿素合成塔的安全生产？ 浅谈尿素合成塔的安全生产 Discuss the safety of the urea synthetic tower in production 李 波 宋 振 宁 Li Bo Song zhen ning ( 本溪北方煤化工有限公司) (Benxi Northern Coal Chemical Co.,Ltd.) 摘要 ： 国内目前运行的数百套尿素装置几乎含及了世界上所有的尿素生产工艺，采用的尿素合成塔除少数是国外引进的外，绝大多数由国内自行设计、制造，通过消化、吸收国外先进技术和经验，国产尿素合成塔总体质量是好的，可以满足专利商和生产企业的要求，本溪北方煤化工公司尿素合成塔就是由大连金重设计制造的。但是由于种种原因一些设备在线使用时不同程度出现问题，产生的原因是多方面的，有必要进行深入的分析，从设计、制造、检验、使用和维护采取相应的措施给予解决，实现长周期稳定运行，延长尿塔的使用寿命。 Abstract ： At present domestic several hundred sets of urea plant apply to almost all of the urea production process in the world. Most of the urea synthetic tower designed and manufactured by the country except a few urea reactor is the import of foreign. Through digestion and absorption of foreign advanced skills and experience, the overall quality of domestic urea reactor is good to meet the patent requirements of commercial and manufacturing enterprises. Benxi Northern Coal Chemical Company urea reactor is designed and manufactured by the Dalian JingZhong. However, due to various reasons, some of the equipment used to arise varying degrees online problems , need for in-depth analysis, from the design, manufacture, test, use and maintenance of appropriate measures taken to address and achieve long-term stable operation to extend the life of urea synthetic tower. 关键词 ： 合成塔 结构 维护 使用 Keywords: Synthetic tower Structure Maintain Use 1. 尿素合成塔的结构及特点； 尿素合成塔的设计、现在国内绝大多部分采用化四院技术，即凯洛格大陆工程公司（KC）和斯太米卡邦公司（stanicarbon）的技术。目前在线生产的尿塔承压筒体结构可分为单层和多层板包扎卷制两种形式，都是内衬不锈钢（或钛材质）衬里。塔内有8-10层塔板，以防止物料返混。单层承压筒体结构因各种原因相对较少应用，而多层承压筒体结构又分为以下几种形式： 1.1 单个筒节多层包扎再焊接成筒体的深环焊缝结构，内衬8-10mm不锈钢衬里。 1.2 多层热套筒体结构三层40mm厚的筒体热套加工，内衬不锈钢衬里。（多为进口） 1.3 碳钢内筒导衬包扎结构，12mm厚衬筒包扎焊接6层卷板，借助焊接的热收缩力加强包扎强度。 1.4 整体多层夹紧式包扎结构，不锈钢内衬筒与两端封头连接成型后再夹紧卷板多层包扎，筒体不存在深环焊缝。 2. 尿塔的结构特点： 2.1 单层承压筒体结构的尿塔要考虑制造热处理能力，检测检验能力和制造成本，随着化工工艺技术的发展，尿塔的操作温度和操作压力都在下降，不是在很高的范围也就是说降低到了多层包扎筒体结构强度允许的范畴，所以选择高成本的单层筒体结构塔就比较少。 2.2 多层包扎筒体结构的尿塔现在应用的而比较广泛，也有比较成熟的制造工艺和技术，例如在筒体制造过程中对层板质量的无损射线探伤、消除层板表面损伤缺陷和卷制机械应力工序、筒体检漏先堆焊后钻孔等加工工艺及解决不锈钢衬里泄漏后介质进入多层卷板之间的腐蚀应力问题都得到了很好的解决。 2.3 尿素合成塔衬里的材料一般采用牌号为X2CrNiMo18-143mod或1.4435mod(DIN17440等)，即316L改良型，焊材采用CrNiMo25-22-2型，焊接材料耐腐蚀性能远远优于母材，国内使用的材料绝大部分采用瑞典AVESTA和日本住友板材，近年来也部分采用法国板和比利时板材。 3. 在线生产尿塔的故障与缺陷： 3.1 CO2 汽提尿素生产工艺是在温度180-183℃，压力13.5-14.5Mpa的条件下运行，其化工物料具有极强的腐蚀特性，为防止高压设备和管道的腐蚀损坏，除选择尿素级不锈钢或者价格昂贵的银（Ag）、钛(Ti)、锆（Zr）等贵重金属材料制造塔衬里和管道外，生产中还普遍采用CO2入塔时加入少量空气（或者是双氧水）使衬里表面产生钝化膜，以减轻(或延缓)尿素、钾铵溶液对设备的腐蚀侵害，一旦尿素合成塔衬里发生穿透性缺陷，化工物料与碳钢承压筒体接触即发生快速腐蚀，造成严重的设备故障和事故。 3.2 对尿素合成塔内表面耐腐蚀衬里的检查和查漏、维护检修质量的好坏直接关系的设备的安全，但是以前种种原因的限制或者忽视了检查尿塔碳钢承压筒体内外表面和卷制板层的腐蚀侵害，认识的误区就是碳钢承压筒体不与化工物料接触，哪来的腐蚀？异常工艺情况有检漏系统的报警及时停车检查修理就不会出问题，修理时只注重衬里内表面的检查而忽视承压塔体卷材缺陷的检查和修理。有证据表明：工业水中的氯离子、包扎卷制时的残余应力、检漏系统的故障、塔体外表面的防腐层与保温层失效、等等因素都可能引起尿塔碳钢承压筒体应力腐蚀开裂，造成的后果不堪设想。长期的尿素生产实践经验表明：尿素合成塔的设计、制造、使用、维护、检验、检修、等各个环节稍有不慎就会酿成事故。事故主要由以下几个原因： 3.2.1 塔壁开孔，有开放性裂纹，晶相组织被破坏。 3.2.2 塔壁破损失效及晶相组织被破坏。 3.2.3 尿素级不锈钢316L衬里焊缝被腐蚀、破坏。 3.2.4 尿塔气液两相交界部位以上衬里穿透性故障引起承压筒体腐蚀裂纹和坑洞。 3.2.5 塔体承压筒体内部环焊缝埋藏横向裂纹，裂纹跨越多层卷板，造成卷板30%失效。 3.2.6 尿素合成塔承压筒体剖面有裂纹，分为外侧周向、纵向。 3.2.7 尿素合成塔外侧大面积破损严重。 4 ．尿素合成塔的安全生产 1995 年7月和2005年3月国内相继发生了两起尿素装置合成塔爆炸事故，引起了各方面的高度重视，国家质检总局下发了《关于进一步加强尿素合成塔生产使用检验工作的通知》即质检总局2005（689）号文件，文件规定了尿素合成塔的使用时间界限，即使用20年的强制报废制度。 尿素合成塔的使用、维护、检修企业均按照制造商使用说明和工艺设计要求来维护和使用，各个企业也不近相同（依据自己实际情况而定）。 依据合成塔的制造和结构特点和实际使用经验，生产过程中对尿素合成塔的保护除要避免系统超温、超压对设备造成损坏，更主要的是如何在生产中尽可能的减缓尿素合成塔的腐蚀。众所周知，尿素合成塔一旦发生加速腐蚀，除影响使用寿命外，更主要的是在设备腐蚀加剧的过程中，尿素合成塔的泄露机率将大大的增加，导致生产中断和碳钢层腐蚀，对企业的安全生产和经济效益造成严重影响。 4.1 尿素合成塔的保护问题 生产过程中，导致尿塔加速腐蚀的因素很多，如操作温度、氨碳比、水碳比、甲胺液的浓度、氧含量、硫含量、氯离子含量、介质的流速等不同的工况对合成塔的腐蚀程度也不同。 4.1.1 操作温度对尿素合成塔腐蚀的影响 从理论上讲，介质温度升高会加速对设备的腐蚀，这是因为温度的升高可以增加金属活化态和钝化态的反应速率，使不锈钢的钝化区变窄，加速材料的活化，即加速了阴极和阳极的氧化、还原过程。 在160℃以下时，温度的变化对不锈度钢的腐蚀影响较小，但是在160℃以上时腐蚀速率就会逐渐加快，对于316-MOD不锈钢的尿塔而言，合成塔出口的温度控制在185-188℃是一个极限，超过该温度，设备的腐蚀速率将成倍的增加，生产中一旦有超温现象，要及时采取有效措施，使温度尽快恢复到正常的工艺指标范围内。 4.1.2 氨碳比（NH3/CO2）对尿素合成塔腐蚀的影响 氨碳比是尿素 生产控制 中非常重要的指标，氨碳比控制的高低不仅对系统的转化率、消耗影响较大，而对尿素合成塔的腐蚀影响也非常明显，CO2汽提法生产尿素的氨碳比工艺设计为2.89，尿素合成塔出口操作温度为183℃，腐蚀速率为0.2mm/a。 提高系统的氨碳比有利于减缓设备的腐蚀，这是由于氨碳比比高时，系统的PH值高，酸性降低减少了COONH2-和CNO在系统的生成量，缩短了高浓度腐蚀介质在设备内的停留时间，从减缓腐蚀的角度，只要装置后系统有足够的承载（通过）能力，尿素合成塔的氨碳比尽量控制在指标的高限。 在实际生产中，有些企业，操作和管理人员为了节约蒸汽、方便操作、减少消耗将氨碳比控制的很低，有时甚至低于指标的下限，这是以设备高速腐蚀为代价的不可取的做法，长期下去对设备造成损害，严重影响设备的使用寿命。 4.1.3 氧含量对尿素合成塔的影响 尿素生产过程中向高压系统加氧的目的是为了使合成塔衬里表面形成一层致密的保护膜（钝化膜），从而对衬里起到一定的保护作用，减缓衬里的腐蚀。加氧量的多少是钝化膜形成的关键，若加氧量的浓度低于钝化膜形成的最低浓度，不但钝化膜不能形成，，即使钝化膜形成，也将逐渐被破坏，使设备进入加速腐蚀阶段，加氧量过多，不但会影响CO2压缩机的效率和尿素合成塔的转化率，同时还会增加系统的放空量，增加尾气进入爆炸空间的可能。因此，操作中要按照要求严格控制系统加氧量，防止异常情况的发生。一般按照以下原则调节： 4.1.3 .1 ．系统在高氨碳比状况下运行时，有利于钝化膜的形成，加氧量可以控制的相对低一些。 4.1.3 .2. 系统在低氨碳比工况下运行时，加氧量就要控制的相对高一些。 4.1.3 .3.CO2 气提工艺设计氨碳比为2.89，设计控制加氧量为0.5-0.8%（v/v） 4.1.3 .4 系统有其他原因造成设备腐蚀，如原料气硫含量超指标使尿液或成品色泽异常，可依据生产实际，适当提高系统的加氧量，但要从源头解决腐蚀因素。 4.1.4 停、开车时尿素合成塔的保护： 4.1.4 .1 系统封塔停车时尿素合成塔的保护： 停车前系统的氨碳比：系统停车前氨碳比的高低是决定封塔时间长短的主要因素，停车前， 系统的氨碳比高，，封塔时间就可以相应的延长，相反，停车前氨碳比低，封塔时间就应该 缩短。 停车前氧含量的控制：系统停车前，氧含量若在指标的上限运行，封塔时间可以延长，相 反，系统停车前氧含量若在指标的下限操作，封塔时间就要缩短。 停车时向合成塔补氨量：系统停车时，向系统多补充一定量的氨，有利于减缓封塔期间物 料对尿素合成塔的腐蚀，从而延长封塔时间，补氨量一般控制在停车前的负荷下15-20 min 的送入量。 高压系统的保压：如果系统的保压效果较差，压力低于8 Mpa,一般不宜再封塔操作。系统 封塔时间一般不允许超过48小时。 4.1.4 .2 系统开车时尿素合成塔的保护： a. 冷塔升温：根据设备制造和工艺设计要求，尿素合成塔升温过程中，合成塔顶部与底部温差应≥30℃，大修或长时间停车后，尿塔的温度与环境温度基本一致，此时，若用蒸汽升温，塔顶与塔底温差应在60℃以上，为更好的保护设备，应先用热的脱盐水将塔温均匀升高到70-80℃，排水后在投用蒸汽升温，这样就科学合理。 b.CO2升压时塔底超温：高压系统升压时，经常会出现合成塔底部出现超温，这是由于升温时系统冷凝液积存过多，塔底温度不断升高，一旦出现超温，应停止升压，排放干净后再开始升压，依据设备使用说明和工艺设计及生产要求严密关注升温速率。 c. 开车初期氨碳比和氧含量的控制：系统停车后，合成塔衬里上的保护膜会有不同程度的破坏，为使塔内钝化膜尽快恢复，开车初期氨碳比和加氧量均应控制在指标的上限操作。 4.1.4 .3 检修过程中尿塔的保护： 4.1.4 .3.1 防止铁污染。导致尿素合成塔铁污染的主要因素包括：使用铁质检修设备和工具，穿戴钉子的鞋等，检修中要严禁穿戴铁钉子鞋进入合成塔，尽量避免铁器工具在合成塔内施工，或将铁器带入塔内。 4.1.4 .3.2 防止氯污染。除应防止带氯根的水进入塔以外，还要防止将用 聚氯乙烯 制作的工具带入合成塔内，入塔人员不要穿戴 氯丁橡胶 制作的鞋子。 4.1.4 .3.3 防止生水污染。防止生水污染主要是停车和检修期间要避免除脱盐水外的其它水如雨水、消防水、生活水、循环水等进入合成塔内。 4.1.4 .3.4 防止衬里受到撞击或划伤。在检修中，只要合成塔的衬里受到撞击和划伤，在下一个运行周期中，该部位就会出现加速腐蚀，入塔检修人员一定要注意。 4.1.4 .3.5 尿塔衬里的修复原则。对尿塔的检修，要本着“多磨少焊”的原则，也就是说，尿塔衬里或焊缝上出现针孔或局部缺陷时，只要缺陷不是太深（一般指1mm以内），只需将其周围打磨，使其能够平滑过渡即可，进可能不要采取焊接的方法，但在缺陷比较严重或衬里厚度有限时，该补焊的一定要按照有关要求和检修范围进行补焊处理。 4.1.4 .3.6 ．维修后的善后处理。尿塔每次检修后，除需认真清理内部的杂物外，对凡是检修的部位（无论是焊接还是打磨）都要用酸膏涂抹钝化，以减缓维修部位及周边的腐蚀。 4.1.4 .4 ．尿塔塔体碳钢层的保护： 要保护尿塔碳钢层的，首先要创造一个号的外部环境，以防止尿塔外部出现的腐蚀。日常生产中，应尽可能避免蒸汽排放口对着尿塔放空或冲洗水经常淋到塔壁上的现象发生。其次，要注意塔体的保温，塔体如果保温不好或外层铝皮破损，雨水就可能经过保温层与塔外壁的碳钢层接触，使碳钢层发生腐蚀，塔体保温效果不好，还有可能导致尿塔出现冷凝腐蚀或应力腐蚀，因此，一定要加强对尿塔外部保温的管理，一旦发生损坏要及时修复。 5. 加强尿塔的安全生产管理和生产操作建议： 5.1 ．严格控制原料气CO2中H2、S含量，越低越好，最好为零。 5.2 ．任何时候高压系统严防超压。 5.3 ．严格控制合成系统的加氧量，将合成塔的腐蚀速率控制在最低，坚决不能在断氧下操作。 5.4 ．封塔时间越短越好，严格按照操作规程操作。 5.5. 对合成塔的腐蚀检查、检测要制度化，定期分析合成塔出液及成品尿素中的铁、镍含量。 5.6. 定期对尿塔的检漏孔检查吹扫，及时发现泄漏，一定要避免碳钢层的腐蚀，加强对碳钢层的检查和保护。 5.7. 确保尿塔的仪表、联锁正常投用，保证尿塔气相管上的安全阀准确、灵敏，根部管线畅通。 5.8. 保证装置用的脱盐水和蒸汽氯根含量合格，越低越好。 5.9. 合成塔负荷的加减量调整要平稳缓慢。 5.10. 合成塔不能超负荷运行。 5.11. 合成塔衬里材料为尿素级的316L不锈钢，材质要得到充分的保证。 5.12 合成塔的焊接方式建议用环焊缝盖板方式，保证焊接的质量。 查看更多0个回答 . 5人已关注
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