尿素合成塔外层板裂纹的产生原因及对策分析

尿素合成塔外层板裂纹的产生原因及对策分析
生产尿素最不能缺少的设备就是尿素合成塔。

然而截止到目前为止，国内已经发生过数起尿素合成塔爆炸事件。

其爆炸的主要原因大部分是由于外层板裂纹而造成的。

文章通过对某厂尿素合成塔外壁带有裂纹的层板样品进行外层板的外部检查、尿素合成塔外层板的试验研究、外壁材料研究、层板的应力研究以及外层板裂纹综合成因研究从而得出其产生裂纹的原因，找寻相应的预防对策。

标签：尿素合成塔；外层板裂纹；原因分析；对策研究
1 某项目尿素合成塔现状
国内某项目中的尿素合成塔为多层包扎式结构。

型号为X2GrNiMo18143Mod的不锈钢板是构成其内里的主要材料。

盲层采用的是型号为15MnVRC的钢板。

内里厚度和盲层厚度分别是9mm和7mm。

在全部的14层层板中，主要使用了厚度为7mm的15MnVRC钢板。

仅有一层使用了厚度为13mm的16MnR钢板。

整台尿素合成塔的管体由9个管节经过深环焊缝工艺组合而成。

管体内部直径达到1300mm。

此款尿素合成塔的设计压力和温度分别为21.54 MPa和195℃。

具体运行压力和温度分别为19.5MPa和189℃。

有关15MnVRC钢板的化学成分以及力学性能的详细资料，参见表1所示。

此台尿素合成塔于2003年在该厂的相关项目中予以使用。

在正常运作10年之后，发现在第4节和第5节管节上出现了很多裂纹。

并且因此而被厂家停用。

通过相关技术人员对此尿素合成塔的内部材料进行细致检查后发现，并没有出现任何问题。

因此可以得出外层板裂缝与内里无关的结论。

因此需要对尿素合成塔外层板上的多处裂纹产生的原因展开详细的研究。

从尿素合成塔出现裂纹的外层板样品上可以看出，裂纹的纹路为分散式。

裂纹严重的部位为深环焊缝的接口处以及周围部分。

裂纹在管体表面展现出的纹路与深环焊缝处呈90度角。

2 尿塔外层板的试验研究
通过超声波仪器检测了外层板出现裂纹部分的厚度。

测试结果详细见表2。

就材料对参数方面的要求来看，15MnVRC钢板要求GB6655-86的厚度允许存在0.5mm的误差。

由此不难看出，通过仪器测量所得出的厚度值与材料本身所要求的厚度值基本一致，处于允许误差的范围当中。

这表示外层板出现裂纹的部分厚度没有太大问题。

3 外壁材料研究
在所有钢材材料中，15MnVRC具有合金程度低，强度高的特点。

因此也经常会作为尿素合成塔等多种制压力容器的外层板来被广为应用。

然而在
15MnVRC中，由于添加了Mn、V、Mn这些能够用于分解氧气、促进晶格畸变的成分，从而增加了15MnVRC钢材的强度和硬度。

然而却造成了柔韧性和塑造性的降低。

这就给材料裂纹的产生埋下了伏笔。

从相关数据中可以得知，一些由15MnVRC钢材为主要材料的制压力容器由于开裂而造成了生产事故的发生。

所以在2005年，国家质监局还发布了《关于增强尿素合成塔质检工作的通知》。

在通知中，特别提出了禁止将15MnVRC钢材用于尿素合成塔的生产制造中。

在今后将使用16MnR20R材料代替15MnVRC材料。

除此之外，值得一提的是15MnVRC的合金程度低，因此在遇到碱性溶液的时候都会引发腐蚀性反应。

在温度越高、碱性溶液浓度越高的时候，15MnVRC 引发的腐蚀性反应就越为强烈，极易造成碱脆的产生。

4 外层板的应力研究
多层包扎是工业设备行业中被广为认可的一种结构形式。

其具有使用程度高、安全性高等特点。

因此也经常被用于尿素合成塔中。

多层包扎式结构是将内管与外管紧密地裹在一起，内管与外管之间拥有一定的压应力。

当内管与外管完成包扎之后，内管承受压缩预应力效果，而外管受拉伸预应力效果。

然而当尿素合成塔中出现高压时，整个管道内壁的应力情况将会造成改变。

随着尿毒合成塔内部温度的不断增加，还出产生想要的热应力。

除此之外，在深环焊缝部位由于不具有热处理的能力，因此也会产生另外一个应力。

在这个时候，外层板就会被多个累积应力所作用。

5 外层板裂纹综合成因研究
外层板表面的裂纹明显，具体表现为分散式开裂。

从裂纹开裂的方式来看，其具有应力腐蚀性表现。

通过断口电镜扫检查得出的数据表明，断口出现了双重开裂。

通过对尿素塔蒸汽的纯度进行研究，得出能够对15MnVRC造成腐蚀性的离子浓度含量不高，不会对15MnVRC造成严重的腐蚀。

然而在检查换热器时，却发现了换热器存在泄漏，并证明其已经被污染的结论。

除此之外，还发现保温层也出现了一定的隐患。

运行压力、热应力以及深环焊缝部位的应力进行累积之后，也会给外层板造成一定的影响。

总的来说，该厂的尿素合成塔外层板开裂主要是由于整体中存在具有强腐蚀性的物质、热换器的泄漏污染、保温层的老化以及各种对外层板累积的应力所共同造成的结果。

预防措施如下：
（1）经过对该厂因外层板开裂而停用的尿素合成塔进行全面细致的研究检查后得知，该厂没有将尿素合成塔外部的保温层及时拆掉，这让外部保温层始终覆盖于尿素合成塔表面，影响了设备检查部门对尿素合成塔外层板的及时检查。

因此该厂在今后一定要增强对尿素合成塔表面的关注。

制定相应的检查计划，提高对外层板检查工作的力度。

保证检查部门能够定量定时地对尿素合成塔的内外部进行系统的检查。

（2）严格记录每一次对尿素合成塔进行检查时的情况和数据。

并且对尿素合成塔的内外部分都要进行详细的检查。

拆除设备上不必要的部分，如外部保温层等。

（3）坚决避免通过氨渗漏的方式对外层板展开检漏工作。

应该选择不具有腐蚀性的气体来完成此项检漏工作。

（4）在使用尿素合成塔的过程中，一定要按照国家所指定的标准来进行。

按照标准规定中的设备使用和维护时间，对其内部进行彻底地杂质清扫，保证塔内的整洁度。

在启动设备的时候，一定要控制好设备的增温程度，切忌不能出现迅速增温的情况发生。

因为在迅速增温的时候会增加外层的受应力。

如果在气温较低的情况下使用设备，更应该遵守相应的使用规定，保证尿素合成塔安全稳定地运行。

（5）严控火源火种的出现。

通过使用降氧式、增氨式以及脱氢式来消除气体爆炸隐患。

采用降氧式就是降低增氧的含量，增氧量不可超过0.49%。

这是防止造成气体爆炸的最有效的方式之一。

由于在尿素合成塔中，主要能够支持燃烧的气体就是氨和氢氧。

在同一范围内，氢氧的爆炸程度远高于氨。

因此通过增加氨在混合气体中的比例，可以起到很好的防爆作用。

另外，二氧化碳是造成氢产生的最主要的原料。

而氢对于尿素的合成毫无作用。

所以可以利用脱氢设备将二氧化碳中的所有氢进行去除，从而降低爆炸的发生。

（6）增加管节之间的焊接深度，防止腐蚀物质对其进行作用。

6 结束语
尿素合成塔是生产尿素不可缺少的设备。

在尿素合成塔内部具有承担高温、高压、强腐蚀的特点。

然而如果内里部分出现泄漏，由内部化学物质对外层板进行腐蚀或者外层板出现严重裂缝的时候，内部化学物质就会穿透管壁，引发爆炸。

不论是国内还是国外，都曾发生过尿素合成塔爆炸事故。

因此对于尿素加工厂来说，一定要重视尿素合成塔外层板情况。

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组第24次技术交流会论文集，北京：中氮肥，2006：48-51.
作者简介：龙帆（1983-），男，汉族，本科生，四川泸州，工作单位：宁夏捷美丰友化工有限公司，研究方向：化工机械技术管理。