尿素合成塔泄漏失效案例分析

陈玲 孔令雷（化学工业设备质量监督检验中心）

尿素合成塔泄漏失效案例分析

陈玲 孔令雷（化学工业设备质量监督检验中心）

针对一起尿素合成塔衬里泄漏事故，制定了检验方案，按方案实施检验，发现缺陷和泄漏原因；并对缺陷产生原因进行了分析。尿素级不锈钢中的夹杂物部位发生孔蚀，是本次泄漏的根本原因。

尿素合成塔；衬里；泄漏；夹杂物；孔蚀

0 引言

某化工有限责任公司尿素合成装置（水溶液循环法）所属2#尿素合成塔在2013年4月开车期间，巡检人员发现上数第三筒节检漏管口有大量物料喷出，尿塔衬里发生泄漏，随即紧急停车。由公司设备管理部门委托我中心进行查漏并进行定期检验。以下结合查漏、检验过程对本次泄漏事故进行案例分析。

1 尿素合成塔技术资料

尿素合成塔是尿素生产装置的关键设备，水溶液全循环型工艺中的尿素合成塔的化学反应主要分两步，第一步是二氧化碳和液氨自下封头进入塔内，在自下向上流动的过程中反应生成甲铵，反应式为：2NH3（液）+CO2（气）==NH4COONH2+ Q ，该反应为可逆、放热反应；第二步是甲铵在自下向上流动的过程脱水生成尿素，反应式为：

NH4COONH2== CO（NH2）2+H2O-Q ，该 反 应 为 可 逆、吸热反应。该台尿素合成塔的主要技术资料如下：

设计单位：南京化学工业集团有限公司化工机械厂

设计规范：GB9842-88、JO306（IV）、GB150-1998、《容规》

制造单位：南京化学工业集团有限公司化工机械厂

制造规范：GB9842-88、JO306（IV）、GB150-1998、《容规》

容器内径：Φ1400mm 容积：48.2m3

封头型式：球形 支座型式：裙座

主体材质：筒体—Q235A（盲层板）+16MnR（多层层板）

封头—19Mn6

主体厚度：筒体—12+6×1+8×10（层） mm（由内到外）

封头—110mm

内 衬：X2CrNiMo18.14.3 mod （筒体 衬 里） 25-22-2LMn（带极堆焊层）

内衬厚度：8mm

设计压力：21.57MPa实际操作压力：20.0MPa

设计温度：195℃ 实际操作温度：180±2℃

工作介质：尿液、氨基甲酸液（甲铵） 投用日期：2006年8月

2 查漏及检验方案

内部检验主要内容：宏观腐蚀检验、衬里壁厚测定、内件壁厚测定、宏观异常部位铁素体测定、接管角焊缝渗透检测等；外部检验主要内容：壁厚测定、磁粉检测等；查漏方案：初次查漏时，检漏系统通入0.1MPa压缩空气，内部焊缝及衬里母材刷涂肥皂水检查漏点。考虑到漏点大小不明，不推荐氨渗漏，否则影响检验检测、作业人员的安全；漏点查明，返修后，检漏系统通入0.05MPa气氨，内部焊缝粘贴试纸，喷涂酚酞试剂查漏。

3 内、外部检验结果

（1）宏观腐蚀检验主要发现以下缺陷：

A.筒体衬里母材存在多处腐蚀缺陷，主要为制造时衬里点补焊处腐蚀发黑，补焊焊肉腐蚀，补焊收弧腐蚀针孔等。（见图1、图2）

图1 衬里母材腐蚀坑， Ø28×6mm深（不是漏点）

图2 衬里母材补焊点腐蚀发黑、疏松

B.衬里环、纵焊缝存在刀口腐蚀（局部形成蚀坑）、局部腐蚀针孔（包括塔盘座耳角焊缝）等。（见图3、图4）

（2）渗透检测：下封头液氨管内壁存在18条裂纹，长5.0～10mm。（见图5）

（3）铁素体测定：衬里补焊点发黑部位及蚀坑部位铁素体含量≥0.6% ，远大于正常部位（≤0.2%）。

（4）漏点检查：经气密检查，发现上数第三筒节衬里距环焊缝200mm处一微型针孔泄漏，此部位宏观无异常，也不是补焊部位，针孔直径很小，几乎不可见，只在气密刷涂肥皂水时有气泡产生。

图3 衬里环焊缝腐蚀针孔

图4 塔盘座耳角焊缝腐蚀针孔

图5 液氨进口管内壁裂纹

（5） 其他检验检测项目：衬里均匀腐蚀速率正常，减薄量在0.15mm/年左右；其他均未见异常。

4 主要缺陷产生原因分析

（1）衬里母材腐蚀缺陷：主要是由于衬里板在运输、吊装、储运、卷制、组对、焊接过程中由于保护措施不利，造成衬里表面划伤、碰伤、焊接飞溅损伤，制造单位对表面划伤、碰伤、飞溅损伤进行焊接修复，由于未能严格执行控制焊接工艺，甚至于焊接材料错用，造成补焊点焊缝金属铁素体超标，在腐蚀性极强的氨基甲酸铵溶液中，补焊部位耐蚀性显著下降。以Ø28×6mm深的腐蚀坑为例，铁素体测定最高达到5%左右，大大超过了0.6%的合格标准，此处制造时焊接修复采用的焊材很可能是用来焊接过渡层的焊接材料，属于焊接材料误用；其他处腐蚀发黑疏松、腐蚀坑部位铁素体基本上也超过0.6%的合格标准，属于未严格执行焊接工艺。 这些缺陷说明制造单位在制造过程中对于一些细节问题处理不当。

（2）液氨进口管内壁裂纹：塔内部液氨管端部与下封头带极堆焊层表面基本持平，相关研究资料表明，这种结构存在较大的焊接应力，另外，温度较低的液氨自液氨管进入后与温度较高的物料相混合，液氨管角焊缝温差较大，存在较大的温差应力。在多种应力的共同作用及液氨流体的冲刷作用下，造成液氨管内壁裂纹。现行设计对此处结构进行了改进，液氨管深入容器内的部分不再与封头内表面平齐，而是高出封头内表面20～30mm，这样使得焊接应力与温差应力部位错开，这种结构的液氨管在检测时未发现过裂纹。

（3） 针孔腐蚀及漏点：孔蚀是尿素合成塔腐蚀缺陷中危害较严重的缺陷，一般发生在焊接金属部位，如衬里环纵焊缝、带极堆焊层、焊接飞溅等部位。孔蚀直径可以从零点几毫米到数毫米，有的孔蚀一旦形成，发展速度很快，可以在较短时间内造成腐蚀穿孔泄漏。孔蚀的腐蚀机理是：介质中含有硫化物或氯离子，尿液中的氨基甲酸根离子，吸附在滞留区的金属钝化膜表面，取代表面吸附的氧，产生可溶性金属化合物，破坏了钝化膜。孔蚀的发生部位一般在：

A. 不锈钢中的夹杂物和析出相部位；

B. 焊缝表面和近表面气孔（皮下气孔）。

对于表面气孔，一般在出厂时可以基本上检出并处理，而对于近表面气孔，一般不易检出。在使用过程中，随着焊缝金属表面钝化膜的腐蚀消耗，此类气孔逐步暴露在腐蚀介质中，形成微电池腐蚀；对于一些孔蚀，由于氯离子、硫化物、氨基甲酸根离子在气孔尖端富集，孔蚀可以加速发展，短时间内造成腐蚀穿孔泄漏。

本台尿素合成塔漏点应是产生在衬里板材的夹杂物部位。虽然尿素级不锈钢板材制造要求极高，但也无法杜绝夹杂物的形成，近表面夹杂物部位很容易成为孔蚀产生的根源。

5 缺陷修复

对于漏点部位：切除部分板材，检查碳钢盲层板的腐蚀情况。由于漏点发现、处理及时，盲层板腐蚀情况不严重，不需修复；原部位用新板材焊接修复。对泄漏的检漏空间内残余的物料进行冲洗。其他缺陷打磨消除，检测合格后采用氩弧焊进行修复。

［1］强天鹏.压力容器腐蚀［J］.压力容器检验，2015.

［2］水溶液全循环法尿素合成塔维护检修规程［P］，SHS05026-2004.

陈玲（1968- ），女 ，工程师，主要从事压力容器、压力管道定期检验，无损检测工作。