王春茂

(山东省特种设备检验研究院　山东济南250101)



尿素合成塔外层板开裂原因分析

王春茂

(山东省特种设备检验研究院山东济南250101)

1多层包扎尿素合成塔基本情况

某尿素合成塔于2000年12月投用，容器内径1 200 mm，容积23 m3，设计压力21.56 MPa，设计温度190 ℃。主体结构为多层包扎式结构，最内层为8 mm厚X2CrNiMo18143Mod材质内衬，向外为6 mm厚Q235材质的盲板层，然后是12 mm厚16MnR材质第1层层板，再向外为单层6 mm厚15MnVRc材质的多层层板(共14层)，筒节总厚度110 mm。尿素合成塔多层结构示意见图1。

图1　尿素合成塔多层结构示意

2尿素合成塔检验方案及发现的问题

尿素合成塔属于高温、高压、强腐蚀工况，虽然内衬为超低碳奥氏体不锈钢的耐蚀性较好，但使用中不可避免地存在晶间腐蚀、冷凝腐蚀、应力腐蚀和均匀腐蚀等情况。特别是在操作过程中出现超温、断氧、硫化氢超标等情况时，钝化膜受到破坏，腐蚀速度呈数倍增加。由于外壁处于高压工况，加之氮肥企业空气、检漏蒸汽冷凝液、跑冒滴漏等多种情况都会形成应力腐蚀环境，外层板开裂也是威胁尿素合成塔安全的重大安全隐患。针对以上情况，尿素合成塔检验方案中采用内部渗透检测、超声测厚、涂层测厚为主的常规检测方式，外壁以磁粉检测为主；必要时，可采用声发射检测对埋藏缺陷等进行整体安全评估。

内衬检测时发现从下向上数第5环焊缝有整圈沟槽腐蚀，其余部位发现点蚀等缺陷约60处。外部检测时发现外表面从下向上数第3环焊缝下侧东面最外层板开裂，开裂长度超过800 mm；该筒节纵缝中部有一处长150 mm裂纹。对外层板开裂区域拆除第1层层板1 000×400 mm区域，发现第2层检漏孔周围区域存在白色结晶物，而第2层板左侧裂纹由左向右逐渐变细，向上延伸至第3环焊缝；右侧裂纹起源于第3环焊缝，且由右向左逐渐变细，并贯穿层板纵焊缝；裂纹一直裂穿4层层板，靠近第3环焊缝位置裂纹裂穿7层层板，环焊缝刨开长240 mm、宽48 mm、深55 mm后，渗透检测裂纹消除。

3原因分析

尿素合成塔内部腐蚀主要是不锈钢内衬焊缝晶间贫铬耐蚀性变差，在高温尿素氨基甲酸铵溶液强腐蚀性下导致腐蚀。本次检验内部缺陷都为常规缺陷，故未做进一步分析，现重点对外层板开裂原因进行分析和研究。

3.1化学成分分析

对尿素合成塔外层板进行取样，并做化学成分分析(见表1)。除S元素的含量超出标准要求外，其余各元素含量未见明显异常。

表1　外层板化学成分分析数据(质量分数)　%

3.2力学性能测试

从尿素合成塔外层板取2个拉伸试样，试验结果见表2。

表2　力学性能测试结果

由表2可知，2个拉伸试样的屈服强度、断后伸长率和抗拉强度都满足相应标准的要求。

3.3金相检测

对尿素合成塔外层板平行轧制方向及垂直轧制方向2个部位取样进行金相检测，外层板金相组织示意见图2。

(a)平行轧制

(b)垂直轧制图2　外层板金相组织示意

由图2可知：外层板金相组织为铁素体+珠光体，珠光体在铁素体中均匀分布，没有其他相的出现；对其进行晶粒度评级，晶粒度为9级。

3.4扫描电镜分析

取断口进行扫描电镜断口分析，断口颜色较灰暗，部分地方呈颗粒状，断口处有韧窝出现，为沿晶断裂。在韧窝边缘还有分叉的小裂纹出现，在部分断口处残留有腐蚀产物，并呈现解理状，为穿晶断裂。

3.5能谱分析

对断口处腐蚀产物进行能谱分析(见图3)，腐蚀产物中含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素，可能造成尿素合成塔外层板的应力腐蚀开裂。

图3　断口处腐蚀产物能谱分析

3.6水质分析

对6个月内检漏蒸汽用脱盐水化验结果进行了统计，发现部分脱盐水氯离子指标偏高：《尿素技术规程》规定ρ(Cl-)≤5 mg/L，然而化验结果中>5 mg/L的占26．62%、>6 mg/L的占13.38%。

综上所述，该台尿素合成塔外层板开裂主要是由于检漏蒸汽不纯，由尿素合成塔检漏孔进入层板的检漏蒸汽在层板之间产生凝聚，长时间浓缩形成含有S，Na，Mg，Si及Ca等元素的腐蚀性产物，对层板形成腐蚀；同时，外层板15MnVRc材质的力学性能抗拉强度偏高，材料的应力腐蚀敏感性增高，最终导致外层板应力腐蚀开裂。

4处理措施

对于内衬腐蚀坑、孔、沟槽等缺陷以焊补为主，即可修复。对于层板裂纹，由于其开裂层数较多、深度较大，且塔体各个筒节都使用同一来源检漏蒸汽，都具备了该应力腐蚀环境，只是程度轻重不同，不排除其他筒节内部层板也存在开裂的较大可能性。为了安全起见，该台尿素合成塔定为5级，应予以报废停用。

5结语

(1) 对于尿素合成塔的检验不要局限于对具有强腐蚀介质的内部检测，外部强度层的检测同样不可忽视。

(2) 对尿素合成塔使用企业而言，必须重视检漏蒸汽的纯度，最好采用更为清洁的氮气等介质作为检漏载体，应杜绝筒体层板间产生应力腐蚀的环境。

(3) 尿素合成塔定期检验只是针对停车时状况的一个评估，保障尿素合成塔的安全要从使用做起，加强巡检和工艺控制才是安全之本。

(收稿日期2015-11-19)