尿素合成塔的主要破壞形式及預(yù)防措施.doc

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尿素合成塔的主要破壞形式及預(yù)防措施 尿素合成塔的爆破事故在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了多起，事故現(xiàn)場(chǎng)觸目驚心，給人民生命和國家財(cái)產(chǎn)造成的損失，應(yīng)引起尿素生產(chǎn)企業(yè)的高度重視。 一、尿素合成塔的主要破壞形式 水溶液全循環(huán)法尿素合成塔是用不銹鋼和低合金鋼制造的多層包扎式高壓容器，塔體由多個(gè)筒節(jié)與上、下封頭焊接而成。多層包扎式厚壁圓筒由內(nèi)筒、盲層與層板3部分組成，內(nèi)筒采用超低碳奧氏不銹鋼板材，在高壓狀態(tài)下要求嚴(yán)密不漏，并具有抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。層板則采用一定的方法使之很好地貼合在內(nèi)筒上，且與內(nèi)筒形成一個(gè)整體筒節(jié)，塔體質(zhì)量的好壞往往取決于層板間的貼合程度和環(huán)焊縫裝配及焊接的質(zhì)量。多層包扎式圓筒在包扎層板時(shí)，靠鋼絲索拉緊與焊接的收縮作用使各層間存在有預(yù)應(yīng)力，內(nèi)層受到壓緊力，當(dāng)筒體承受內(nèi)壓時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力的作用可以抵消部分拉應(yīng)力，使筒壁內(nèi)應(yīng)力較相同條件下的單層筒體分布均勻，可以提高筒體的彈性承載能力。從理論上講多層包扎厚壁圓筒的壁厚應(yīng)比相同條件下的單層筒體薄，但因預(yù)應(yīng)力的大小與層板縱焊縫寬度、每層層板上縱焊縫數(shù)量、焊接規(guī)范、焊接材料、包扎的松緊程度等許多因素有關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)尚無法定量計(jì)算。另外，多層包扎式筒體的縱焊縫沿壁厚方向是非連續(xù)的，對(duì)筒體強(qiáng)度的削弱也較單層筒體小。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)仍采用單層厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。 尿素合成塔在使用過程中產(chǎn)生的主要破壞形式有2種，一是內(nèi)筒泄漏引起的破壞；二是筒節(jié)層板和環(huán)焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂而引起的破壞。 1.內(nèi)筒的泄漏 尿素合成塔內(nèi)的尿素溶液（氨基甲酸銨溶液）在反應(yīng)中對(duì)碳鋼有強(qiáng)烈的腐蝕作用，一旦穿過不銹鋼內(nèi)筒流至碳鋼層板以后腐蝕速度會(huì)急劇增加，在較短時(shí)間就可以腐蝕擴(kuò)展到穿透筒壁。 內(nèi)筒的泄漏往往由于內(nèi)筒上的點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、裂紋而引發(fā)，在工作條件下引起不銹鋼內(nèi)筒腐蝕的因素很多，其中尿素反應(yīng)液中存在CI-是產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕及裂紋的主要因素。 2.層板和環(huán)焊縫的應(yīng)力腐蝕斷裂 應(yīng)力腐蝕斷裂的特點(diǎn)是幾乎完全沒有金屬宏觀體積上的塑性變形，這種斷裂會(huì)造成壓力容器的災(zāi)難性事故。由于應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展，一直發(fā)展至達(dá)到和超過臨界裂紋長(zhǎng)度需要一個(gè)過程。因此，能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的壓力容器承受到一定拉應(yīng)力作用，并不馬上發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，而是在經(jīng)過一段時(shí)間以后（幾小時(shí)、幾日、幾月、甚至幾年），往往在沒有預(yù)兆的情況下發(fā)生突然斷裂。 上述2種破壞形式中，第二種的預(yù)防難度及危害程度顯然大于第一種。 二、應(yīng)力腐蝕斷裂發(fā)生的條件 1.一定的拉應(yīng)力或壓力容器金屬內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力； 2.金屬本身對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性； 3.能引起該金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)。 拉應(yīng)力、敏感金屬、特征腐蝕介質(zhì)是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的三個(gè)必要條件，三者缺一，應(yīng)力腐蝕就不可能發(fā)生。 尿素合成塔的操作壓力19.6MPa，筒體存在制造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和工作狀態(tài)筒壁內(nèi)外濕差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 多層板材15MnVR鋼是屈服強(qiáng)度為400MPa級(jí)普通低合金高強(qiáng)度鋼（大多數(shù)尿素合成塔的層板都是選用15MnVR鋼），雖然有較高的強(qiáng)度，但塑性、韌性都較C-Mn鋼低，且有，較高的缺口敏感性和時(shí)效敏感性。 生產(chǎn)區(qū)域的工業(yè)大氣含有氨氣、檢漏蒸汽中含有的CI-、Na+、NH+3，以及氨滲透試驗(yàn)殘留在盲層中（或其他層板貼合間隙之中）的氨。 由此可見，尿素合成塔在生產(chǎn)運(yùn)行過程中能夠同時(shí)具備應(yīng)力腐蝕斷裂發(fā)生的三個(gè)基本條件。三、應(yīng)力腐蝕裂紋易產(chǎn)生的部位 以往的檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)尿素合成塔的應(yīng)力腐蝕裂紋較多的產(chǎn)生在筒節(jié)外層板和環(huán)焊縫熔合線上。 究其原因，腐蝕介質(zhì)的存在是個(gè)關(guān)鍵問題。對(duì)于投入運(yùn)行的尿素合成塔面言，層板的材料在制造過程中已經(jīng)選定，鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)（包括晶粒大小、形態(tài)、相結(jié)構(gòu)及缺陷、加工狀態(tài)等）決定了層板對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性。在工作狀態(tài)下的工作應(yīng)力、制造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和筒體內(nèi)外壁溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力等，也相對(duì)穩(wěn)定。只有腐蝕介質(zhì)可以隨著環(huán)境因素而發(fā)生變化。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的必要條件之一是合適的金屬-環(huán)境組合。 環(huán)境因素的特性： 1.腐蝕介質(zhì)。對(duì)一種金屬（或合金）只有在特定的腐蝕介質(zhì)中含有某些對(duì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂有特效作用的離子、分子時(shí)，才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。就尿素合成塔的包扎層板而言，能因用15MnVR鋼產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕斷裂的介質(zhì)有苛性堿溶液、氨溶液、碳酸鹽溶液、工業(yè)大氣。 2.溶液的濃度。雖然有時(shí)溶液的整體濃度是很低的，但是由于局部位置上的濃縮作用，能使該處極易產(chǎn)生局部腐蝕。而一旦腐蝕坑、縫隙或裂紋形成后，該處的介質(zhì)條件可以發(fā)生明顯的變化。 3.溫度范圍。工作狀態(tài)下筒體的壁溫175～190℃。 因此，設(shè)法控制或消除環(huán)境因素中的腐蝕介質(zhì)和積液應(yīng)當(dāng)成為防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的著眼點(diǎn)?？刂骗h(huán)境因素，預(yù)防應(yīng)力腐蝕裂紋的形成尤其關(guān)鍵。 四、預(yù)防措施 一般事故的發(fā)生往往是在人的不安全行為和物的不安全因素結(jié)合在一起時(shí)發(fā)生的。因此，尿素生產(chǎn)企業(yè)在選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求、且制造質(zhì)量可靠的尿素合成塔的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有符合企業(yè)安全生產(chǎn)所需的各項(xiàng)規(guī)章制度，這樣才能有效地預(yù)防事故的發(fā)生。 為了預(yù)防內(nèi)筒泄漏造成的破壞，尿素合城塔在設(shè)計(jì)上采用了檢漏系統(tǒng)，每個(gè)筒節(jié)上都有檢漏管孔，進(jìn)口在上，出口在下。尿素生產(chǎn)企業(yè)在運(yùn)行中通常采用鍋爐蒸汽作為檢漏介質(zhì)，蒸汽壓力一般在1.3MPa左右。運(yùn)用檢漏系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，有效防止內(nèi)筒泄漏引發(fā)的更大破壞，所以，操作規(guī)程中要求蒸氣檢漏管道暢通無阻。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格工藝操作條件，控制CI-的含量，做到不超溫、不超壓運(yùn)行，避免點(diǎn)腐蝕、裂紋的產(chǎn)生。 為了預(yù)防層板和環(huán)焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，應(yīng)做好以下工作： （1）對(duì)尿素合成塔的工作環(huán)境因素做調(diào)查分析。了解工業(yè)大氣中所含腐蝕介質(zhì)的種類、化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)、氣候條件，以及檢漏蒸汽中所含腐蝕介質(zhì)的離子品種、濃度。從技術(shù)上進(jìn)行探索，形成一個(gè)安全、可靠的控制腐蝕介質(zhì)的辦法，從而達(dá)到預(yù)防產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的目的。 （2）核對(duì)檢漏管孔的實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)圖紙是否一致。設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定：“組焊后必須保證檢漏管孔與8的透氣孔貫通，由制造工藝保證。”查看檢漏管孔的實(shí)際結(jié)構(gòu)能否滿足技術(shù)要求。 （3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢漏管孔結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)圖紙不符時(shí)，不宜再使用氨滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行內(nèi)筒檢漏。 （4）對(duì)已經(jīng)發(fā)生檢漏介質(zhì)在盲層板之外的其他層板貼合間隙里流動(dòng)的尿素合成塔（蒸汽檢漏時(shí)透氣孔泄漏蒸汽），應(yīng)當(dāng)暫時(shí)停止使用，及時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)及維護(hù)檢修。 （5）對(duì)液氨泵、甲銨泵、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)5段緩沖器上裝設(shè)的安全閥進(jìn)行檢查。安全閥的開啟壓力不得大于尿素合成塔的設(shè)計(jì)壓力（21.56MPa），并且靈敏可靠。以此保證尿素合成塔在運(yùn)行中的最高工作壓力不會(huì)超過設(shè)計(jì)壓力。 （6）由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)每年進(jìn)行1次全面檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理應(yīng)力腐蝕裂紋。 值得提出的是，制造過程中檢漏管孔發(fā)生的變更在峻工圖紙上及其產(chǎn)品質(zhì)量證明書都沒有記錄，需要尿素合成塔的使用單位（或檢驗(yàn)單位）打開檢漏管孔護(hù)板查看。 第 5 頁 共 5 頁