小氮肥厂变换工段塔器腐蚀失效的预防措施及检验要点
夏锋社
1 前 言
小氮肥厂变换工段塔类容器主要有饱和塔、热水塔和冷凝塔。多年来，因介质对塔体内壁腐蚀造成设备报废甚至爆炸的事故时有发生。通常表现有：变换冷却塔的塔体严重腐蚀；饱和热水塔内涂环氧树脂，由于支撑圈附近防腐质量不好，使用几年后，角钢圈附近的局部坑蚀；饱和塔上部不锈钢衬里损坏严重；筒体筒节整圈严重鼓包变形；冷凝塔内涂环氧树脂，使用两年后塔体严重腐蚀。因此，腐蚀已成为影响变换工段塔器安全正常运行的主要问题，有的塔器运行仅几个月便发生腐蚀穿孔。本文根据多年来的检验实践和参阅相关材料［1～3］，分析了塔器腐蚀产生的原因，提出了预防塔器腐蚀的措施以及塔器定期检验要点。
2 塔器的工艺条件、介质特性和基本结构
小氮肥厂变换工段塔器主要用来进行半水煤气或变换气与水的接触式冷热交换，使气相温度达到工艺要求。饱和塔介质为半水煤气和饱和水，热水塔介质为变换气和饱和水，冷凝塔介质为变换气和冷却水。饱和热水塔最高工作压力为0.7MPa～1.4MPa，工作温度小于200℃；冷凝塔最高工作压力为0.7MPa～0.85MPa，工作温度为35～100℃。
变换工段塔器均为碳钢或低合金钢制压力容器，内衬防腐材料。饱和热水塔有填料塔和板式塔两种，以填料塔居多，中间用钢板隔开分为饱和塔和热水塔，常压变换时上为热水塔下为饱和塔，加压变换时上为饱和塔下为热水塔。冷凝塔为填料塔。饱和塔、热水塔、冷凝塔的结构基本相同，塔下部设有气相入口管和水出口管，上部设有气相出口管、水进口管及水分布器，中部装有磁环填料或波纹板，下部上升的气相与水分布器喷洒下来的水在填料区或塔盘区充分接触，进行冷热交换。
半水煤气的主要成分为H2、N2、CO、CO2及少量的H2S等杂质。变换气的主要成分为CO2、H2、N2及少量的CO、CH4和H2S等杂质。可以看出塔器介质有以下主要特性：①腐蚀性强。介质中的CO2和H2S对钢具有很强的腐蚀性，溶于水后腐蚀性更强；②易燃、易爆、易中毒。介质中除含有CO2外，还含有CO、H2、CH4等，这些属易燃、易爆或有毒气体，如有泄漏，就会有发生火灾、爆炸或中毒事故的危险。
3 塔器腐蚀原因分析
从近年来省内外发生的小氮肥厂变换工段塔器爆炸事故及我们多年来对我省小氮肥的饱和热水塔和冷凝塔的检验情况来看，失效处均有明显的塑性变形，壁厚严重减薄，最薄处仅1.0～4.0mm。壁厚减薄的主要原因是腐蚀。腐蚀严重区域多数在喷水口以下至瓷环填料界面以上这一范围，少数在瓷环填料区、气相进口区等部位。
3.1 介质中含有H2S、CO2及Cl－导致壳壁腐蚀
变换工段塔器为碳钢或低合金钢制成。半水煤气本身已含有CO2和H2S，经变换后，CO2含量从原来的14％～16％增加到27.3％，同时有机硫转换为无机硫，使变换气中H2S含量增加。溶于水中的H2S、CO2和饱和水中的Cl－形成弱酸性介质对钢制壳壁形成电化学腐蚀，而气相中H2S的存在，对CO2水溶液的腐蚀起促进作用。
H2S和CO2对塔壁的腐蚀与其浓度、溶液的酸度、工作压力、工作温度、材料强度和设备应力水平等因素有关。因各种原因造成H2S含量超标，水中的Cl－和H＋浓度增大，都会加剧腐蚀速度。由于钢在湿H2S和CO2介质中有应力腐蚀倾向，在应力集中部位仍有出现应力腐蚀的可能。
3.2 设计和制造的缺陷导致介质对塔壁的冲刷腐蚀
由于设计单位结构设计不合理、制造上的缺陷以及使用单位管理上的漏洞，致使塔内水分布器在使用过程中失去使入塔水均匀分布的功能，形成气液偏流。气体进口管设计制造不合理、塔盘安装不水平、进水管腐蚀破损或溢流盘腐蚀局部破损加剧了气液偏流。偏流部位与水的接触面较其他部位大，受水的冲击力也大，致使偏流严重部位防腐层破坏，失去了抗腐蚀能力，进而对塔壁形成冲刷腐蚀。
3.3 制造质量的缺陷使焊缝表面缺陷部位产生坑蚀
对填料塔，在塔内装有瓷环的内壁上，若焊缝表面防腐层损坏，当水沿塔内壁下流至焊缝表面时，则在表面粗糙部位、咬边部位、表面气孔和表面裂纹处相对滞留并产生坑蚀。
3.4 气相中含尘量高、填料压盖松动导致对塔壁的磨损
由于高温变换的触媒破损率高，若无有效的过滤，会使气相中含尘量增高，加快了对塔壁的磨损。另外，由于破碎了的瓷环颗粒被水冲走，使填料高度不足，填料压盖松动，松动的瓷环在气液作用下上下窜动，形成对塔壁的磨损。
3.5 防腐工作不到位导致腐蚀
制造时未采用不锈钢作内衬防腐。采用非金属防腐涂层时，材料选择不当，施工质量差，检修后未采取措施或防腐措施不当，均会影响防腐效果。而介质对壳壁的腐蚀即从防腐层脱落处开始并逐渐加剧，且使防腐层脱落面积不断增大。
3.6 加压变换加剧了腐蚀作用
由于加压变换工艺工作压力相对较高，增加了腐蚀性气体在水中的溶解度，使腐蚀速度加快。同时，由于介质流动剧烈，介质对填料冲击加剧，瓷环损坏率增大，对塔壁产生的冲刷腐蚀和磨损程度加剧。
综上所述，气液偏流、防腐质量差首先使防腐层局部损坏，进而介质对内壁形成冲刷腐蚀、电化学腐蚀和化学腐蚀，导致塔壁减薄。而操作不当、管理不善也会加剧塔体腐蚀。
4 塔器腐蚀预防措施
近年来，变换工段塔器腐蚀问题已引起有关部门和企业的重视，采取措施减缓腐蚀，取得了一定的效果，但是，腐蚀问题还没有从根本上解决。防患于未然，笔者认为应采取下列预防措施。
4.1 把好设计和制造关
塔器的设计和制造应由具有相应资格和相关经验的单位进行。设计和制造单位应根据变换工段塔器使用特点，严格遵守有关规程、规范和标准，设计制造出质量优良的产品。(www.xing528.com)
4.2 把好防腐衬里质量关
变换工段塔器应有可靠的防腐措施。虽然采用不锈钢板做衬里防腐效果好，使用寿命长，但成本高。目前小氮肥厂大多采用环氧树脂、生漆等非金属材料做衬里。防腐施工单位要严格按照图纸和施工验收规范的要求，从原材料、金属表面处理、配胶及施工等各个环节严格把关，严格检查和验收。
4.3 做好塔器的入厂验收和役前检验
塔器进厂后，设备管理部门应会同有关部门按照合同书、设计资料及交货单等从制造质量证明书到实物逐项对照检查验收，确认设备本体和各种附件与设计相符无差错。
对分段交货、现场组装的塔器，除做好入厂验收外，安装单位要严格控制组对质量和焊接质量，必要时厂设备管理部门应派员现场监督。
塔器使用前，由使用单位的设备和安技部门对塔器进行役前检验，进一步确认设备的制造、安装和防腐质量，并做好塔器的注册、登记和办证工作。
4.4 严格控制介质中有关成分的含量
要严格控制水质，降低Cl－含量；控制介质pH值在7～9之间；采取措施努力提高脱硫效果，降低气体中的H2S含量，使H2S含量控制在0.05g/m3以下，以减轻介质对塔壁的腐蚀作用。
4.5 加强设备管理及职工的业务技术培训和考核，抓好定期检验
要加强操作人员和分析人员的专业技术培训和安技知识教育，提高操作和分析水平，使职工做到懂原理、懂性能、懂构造、懂工艺流程和会操作、会维护保养、会排除故障，确保操作程序正确，分析数据准确。
进行定期检验，及早发现并消除隐患是确保设备安全运行的一个重要环节。除做好设备的常规检查外，还应抓好设备每年一次的在线检查以及由专业检验单位进行的定期内外部检验，及时了解和掌握设备的安全技术状况。每次大修时，应认真检查内壁腐蚀情况，同时对填料进行清洗，更换和修理损坏的管件和阀门，对衬里损坏部位进行修补。加强安全状况等级为4级的塔器的监控使用。
4.6 把好修理改造关
应严格控制安全状况等级评为4级的塔器的修理改造质量，防止因修理改造不当而产生新的缺陷。对经检验发现仍有严重缺陷，安全状况等级评为4级但不能满足使用条件，或安全状况等级评为5级的容器应坚决退役。
5 塔器检验要点
为了保证变换工段塔器的安全运行，除从设计、制造、安装、防腐、工艺控制和使用管理等方面把关外，检验单位针应对其介质特性、使用特点和结构特点，在进行塔器定期内外部检验时要把握好以下几个方面。
5.1 以内表面宏观检查和测厚作为重点
由于内表面直接接触介质，工作环境恶劣，工作条件苛刻，且使用中产生的缺陷大多集中在内表面，主要为腐蚀和裂纹。采用宏观检查可以迅速发现防腐层的损坏情况及防腐层失效部位基体的表面缺陷。表面缺陷比埋藏缺陷危害性大，应当重点检查，且内表面宏观检查比例为100％，必要时还应做其他项目的检查。
壁厚测定可以直接了解塔器壁厚减薄情况，因此也应作为检查的重点。在腐蚀严重部位对应的外壁打上永久钢印标识，并在检验报告缺陷部位图上标明，以利于下次检验时确定腐蚀速率。对有不锈钢衬里的塔器，应逐块板进行不少于三点的定点测厚。
另外，对用环氧树脂等非金属材料作衬里的塔器，必要时可用非磁性测厚仪测定防腐衬里厚度的变化。
应该注意的是，在塔内部进行各项检验时应采取措施防止有效涂层的损伤。
5.2 强度校核时剩余壁厚的确定
由于小氮肥厂变换气中H2S含量受许多因素影响波动较大，因此，在强度校核时剩余壁厚可按实测的最小值减去到下次内外部检验时的2～3倍的腐蚀量来确定，以保证塔器安全使用。
5.3 检验期限的确定
变换工段塔器投用一年后应进行首次内外部检验，以便进一步确认塔器的设计、制造、安装和防腐质量以及该塔器对工艺状态的适用性和可靠性。以后的检验周期以两年为宜。当发现腐蚀严重已接近临界值时，应进一步考虑缩短检验周期，并限期使用，同时应在检验报告中提出有关监控措施。
［1］江苏省六合化肥厂.小型氮肥厂工艺操作问答.北京：化学工业出版社，1979
［2］陈桦.饱和热水塔爆炸原因浅析与对策.中国锅炉压力容器安全，1993（3）：46
［3］中华人民共和国化学工业部.HG27003－93在用化工压力容器检验规程.北京：化工部标准化研究所，1993
（注：该论文发表于《陕西化工》1999年第1期）
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