尿素工藝高壓設備中泄漏檢測系統的應用

劉念，付榮申，朱迪

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素(CH4N2O)是一種重要的化學肥料和工業原料，在世界范圍內被廣泛使用，通過原料氨和二氧化碳合成。生產尿素是一個升溫升壓的過程，其生產過程要求在液相中進行，即中間產物氨基甲酸銨(NH2COONH4)必須呈液態出現，所以一般合成過程的壓力范圍為14～21 MPa，溫度范圍為170～200 ℃，其反應式可分成兩個步驟[1-2]：

(1)

(2)

其中，步驟一的反應快，步驟二的反應慢，這就導致尿素裝置需要一個體積較大的尿素合成塔，包含NH3， CO2， NH2COONH4， CH4N2O和H2O等混合物，NH2COONH4能夠對設備造成嚴重腐蝕，特別是對碳鋼材質的腐蝕速度高達1 000 mm/a[3]，因此，尿素高壓圈設備一般由不銹鋼內襯和碳鋼外殼組成，不銹鋼內襯起抗腐蝕作用，而碳鋼外襯則增加了設備的強度。由于焊縫的缺陷、局部受熱不均等原因造成點腐蝕加劇，從而導致內襯的泄漏，為了保證尿素裝置高壓圈設備的安全運行，應通過適當的泄漏檢測系統在工廠運行期間不斷檢查這些襯里，保證其完整性和安全性。

1 檢漏方法

由于具有強腐蝕性的NH2COONH4泄漏之后，會降壓分解成碳酸氫銨和氨氣，因此，針對尿素工藝設備的泄漏，一般采用氨泄漏檢測方法。

氨泄漏檢測方法可分為直接法和間接法。當采用直接法時，設備檢漏通道內處于自然狀態，不通任何物料，如果襯里發生破損泄漏，首先泄漏出來的是滲透性很強的氨氣，經由阻力最小的檢漏通道從檢漏管排出，再被分析儀表捕捉后測出。當采用間接法時，會將循環媒介通入設備檢漏通道上端入口，進入設備夾層，并從下端檢漏通道出口排出，如果襯里發生破損泄漏，泄漏物也隨氣體排出，再通過分析儀表檢測。對比兩種方法，直接法具有響應速度慢、流路不可控、氨氣聚集容易導致人員受傷等缺點；間接法則具有響應速度快、流路可控(包括流速、流量、流向)、定位泄漏點容易等特點，當塔體襯里有泄漏發生時，在襯里層與殼體之間的區域內，檢漏通道的載氣可及時把泄漏介質引出該區域并經分析儀自動檢測其泄漏的關鍵成分氨。因此，采用間接法的泄漏檢測系統反應時間短，可及早發現及定位泄漏情況，同時也能實施在線連續監測。

傳統循環媒介一般采用蒸汽，且對蒸汽的品質要求非常高，檢漏蒸汽中通常含有很多的氨、氯、碳酸等離子，這些介質往往會引起尿素高壓圈設備的應力腐蝕開裂，同時也無法避免蒸汽冷凝堵塞檢漏孔的現象。隨著工藝技術的不斷改進和對高壓設備安全性認識的不斷提高，人們對循環媒介提出了新的看法，現階段采用不與氨反應且容易獲得的氣體，如氮氣、潔凈的儀表空氣作為循環媒介已成為主流。循環媒介流路如圖1所示。

圖1 循環媒介流路示意

通過圖1可以看出，在設備外殼與內襯間加循環媒介，并在循環系統中設置氨自動測量儀表。當設備內襯有破損時，循環媒介可把泄漏的氨攜帶出來，只要通過氨檢測儀表分析循環媒介內的氨含量，就可以及時判斷泄漏發生的性質、部位、程度等情況。同時，把檢測到的信號送入全廠監控系統，便可實現對關鍵設備的氨泄漏的遠程、便捷、快速的檢測與監控[4]。

2 在線泄漏檢測系統配置

尿素生產行業中有多種泄漏檢測系統，不同授權方和制造商對泄漏檢測系統的設計理念不一樣，通常都設計了一個檢驗泄漏氣體的通道來檢測襯里中的泄漏情況。

為了設置檢驗泄漏氣體的通道，在每塊襯里連接處均開設有檢漏槽，這些襯里連接相對可靠，因此，每塊襯里連接處開設的檢漏槽越少，則焊縫數量就越少，最終可以有效降低泄漏的風險。

工業生產中以前都是將檢漏孔用短管引出檢查通氣，由于工藝介質易含有碳銨鹽或尿素結晶，存在檢漏管被結晶堵塞導致檢漏通道監測不到襯里泄漏的危險。為解決該問題，將介質通過長管中的循環媒介引入到便于觀測的在線監測分析儀中，用周期性監測替代人工手檢，能夠規避上述風險，同時降低操作工的工作量，在線檢漏系統逐漸替代人工手檢成為主流。在線泄漏檢測系統配置如圖2所示，主要由檢漏通道、測量儀表和循環系統三部分組成。

圖2 在線泄漏檢測系統配置示意

2.1 檢漏通道

尿素高壓設備檢漏通道主要包括： 檢漏槽、檢漏管及檢漏接管三個部分。其中檢漏槽是指設置于內襯與承壓殼體之間并能迅速將內襯泄漏處的泄漏物質導至檢漏孔的專設通道。在尿素高壓設備的每一個筒節分別設置有多根檢漏管，設備的不銹鋼襯里外設計了檢漏孔，從檢漏孔引出檢漏管，檢漏管成對出現，一根檢漏管將循環媒介通過檢漏接管引入循環氣體，經由承壓殼體的檢漏孔蓋板，穿過殼體層板進入盲層板上的檢漏槽中，配對的另一根則將循環氣體接入檢漏接管將氣體引入到檢測裝置里，襯里層、檢漏槽、檢漏孔、檢漏管、檢漏接管就形成了完整的檢漏結構，如圖3所示。

圖3 檢漏結構示意

襯里與碳鋼承壓體之間的檢漏槽有一定間隙(夾層)，設備制造時設置與其間隙連通的檢漏管監測襯里的腐蝕情況，如監測到檢漏管有介質漏出，則證明不銹鋼襯里板或其焊縫已經腐蝕泄漏，必須盡快停車處理，避免外壁腐蝕損壞設備甚至造成合成塔爆炸等安全事故[5]。

由于設備高度、尺寸、形狀各異，筒節的數量、內部結構和檢漏管的長度、方向、布置隨之改變，各設備需要的檢漏通道的數量也就不盡相同。一般而言，為滿足最基本技術要求、最低的泄漏風險和最有效的經濟效益的前提下，通過優化設計可以減少檢漏通道的數量。

2.2 測量儀表

根據在線泄漏檢測系統配置的要求，循環氣體吹掃總管線設置有壓力表，吹掃總管線連接了多組并聯的吹掃分管線，同時循環氣體回收管線上連接多組關聯的回收分管線，吹掃分管線上均設有流量計和吹掃閥，在使用過程中通過吹掃閥控制進氣，保持微正壓，避免壓力高造成襯里鼓包?；厥辗止芫€上均設有回收閥，在使用過程中通過回收閥控制出氣，保持微負壓抽氣，同時要避免壓力過低導致襯里抽癟、失穩等情況發生。在回收分管線與吹掃分管線之間的連接管線上依次設有換熱器、氨分析儀、氨過濾器和鼓風機，最終氨分析儀經有線或無線連接到DCS的顯示和報警單元。氨分析儀具備兩種工作狀態：

1)在線檢測狀態。所有流出檢漏通道的循環氣體匯集于吹掃總管線中，匯總后一部分送入氨分析儀，其余部分放空，一旦有檢漏通道中的襯里發生泄漏，即可分析檢測出來并及時報警。

2)切換工作狀態。當發現某一檢漏通道有可能發生泄漏時，可單獨分析該檢漏通道的檢漏管引出的檢漏循環氣體，以確切判斷泄漏發生的程度、范圍、性質等具體情況。

在線泄漏檢測系統的循環氣體流量應根據該系統對介質泄漏的反應時間來設置，并通過第一流量計實時觀測，一定流量和流速的循環氣體在檢漏通道中的流動可避免檢漏通道的堵塞，有助于提高該系統的可靠性。如果使用氮氣或儀表空氣作為循環媒介，還應盡可能降低制氮裝置/空壓站附近的氨含量，保證循環氣體的清潔度，以防循環氣體被污染而影響該系統的精準度。

2.3 循環系統

循環系統包括循環媒介系統和循環冷卻系統兩個部分：

1)循環媒介系統。采用該系統對所有檢漏通道內的介質進行閉路循環，不僅不需要介質對外排放，而且檢測過程還十分高效和安全，對于一個只有幾十個通道的泄漏檢測系統而言，載氣的耗費量相較于工廠整體用氣量幾乎可以忽略不計。

2)循環冷卻系統。由于氨檢測儀要求測量氣體的操作溫度不高于50 ℃，但設備內溫度高達200 ℃以上，當循環氣體在設備內循環后排出時，溫度將升高很多，因此必須采用循環冷卻系統對設備出口循環氣體進行冷卻降溫，同時循環冷卻水還可以回收再利用，減少資源浪費。

隨著工業自動化的發展，泄漏檢測系統傾向于采用一體化設計，把系統的各個部分和元件都集成在一個機柜內，并把需要操作的元器件布置在柜子的正面，例如閥門、轉子流量計等，不需要操作的元器件布置在柜子的反面或側面，如與外界的接口、接線箱等。這樣便于整體的運輸及現場安裝。當測量機柜運達現場后，僅需要把設備循環氣體入口與該測量機柜的循環氣體出口、設備循環氣體出口與該測量機柜的循環氣體入口采用不銹鋼管進行卡套連接即可，這樣大幅減少了現場施工量，節省了施工時間和費用。

3 泄漏檢測系統應用案例

3.1 項目介紹

某項目主裝置采用天然氣制合成氨(2.050 kt/d)和尿素(3.250 kt/d)，包括了3臺150 t/h燃氣鍋爐和發電機，配套有原水、除鹽水、循環水、污水、罐區、廢水氣提、空壓站、火炬、原料儲運等裝置，環境最高溫度達60 ℃。

尿素裝置采用東洋ACES21尿素生產技術，主要特點是采用沉浸式立式冷凝吸收器，并利用甲銨反應熱副產蒸汽供后續工序使用，主要包括以下工序： CO2壓縮、尿素合成、甲銨冷凝、汽提、凈化、CO2回收等系統，工藝流程如圖4所示[6]。

圖4 尿素工藝流程示意

3.2 檢漏方案設計

該項目尿素三大高壓設備分別是尿素合成塔、甲銨冷凝器和汽提塔，其筒體結構是多層包扎型式，內襯為不銹鋼襯里，由多個筒節經環焊縫焊接而成，在每個筒節上預先開設出檢漏槽及多個檢漏孔，操作中為便于操作工監測泄漏的位置，各個檢漏孔引出的檢漏接管會依次排列并編制相應的號碼，高壓設備的檢漏通道數量根據設備內襯焊縫的特點進行了設計。三大尿素高壓設備工況及檢漏通道數量見表1所列。

表1 尿素高壓設備工況

該項目以尿素合成塔為例，通過流路控制、氮氣循環的速度、氮氣循環的流量、投資估算等條件，可以確定整個系統檢漏通道所需的數量。氮氣循環系統檢漏通道數量直接影響到氮氣循環量、元器件數量、系統機柜的尺寸等，設計人員對比系統滯后時間和系統造價，最終確定檢漏通道數量總共為17個，泄漏檢測系統的循環氮氣壓力和流量則要根據該系統需要的反應時間、內襯所能承受的壓力、檢漏通道數量和氣體檢測儀性能來設置。尿素合成塔泄漏檢測系統方案如圖5所示。

圖5 尿素合成塔泄漏檢測系統方案示意

由圖5可知，該泄漏檢測系統方案工作流程如下：

1)氮氣經過氮氣過濾器和壓力調節器先進入氮氣吹掃干線，再通過吹掃干線進入多根并聯的吹掃分管線，當循環氮氣管線壓力低于設定壓力時，則通過壓力調節器補充氮氣，保證吹掃壓力。

2)進入吹掃分管線的氮氣再經各自的第一流量計和針形閥由噴嘴進入設備的檢漏通道開始吹掃，吹掃干線的支管上有一個壓力表，以及呼吸水槽的密封管路，保持吹掃管線內壓力均衡。

3)吹掃氣經過回收分管線將氮氣回收，由于尿素合成塔內部溫度達到200 ℃，回收干線將多根并聯回收分管線的氮氣收集起來后，先經換熱器降溫，再送入氨分析儀內檢測氨濃度。

4)當檢測到有泄漏發生時，氨分析儀將實時信號送到監控系統顯示和報警，此時立即停車，并手動逐個關閉回收分管線和配套的截止閥來一一排查泄漏回路，做好精準定位，及時解決泄漏問題。

5)氨分析儀后設有氨過濾器，將無氨氣體引入氨氣鼓風機，最終排放到吹掃干線中，位于過濾器后面的排氣管可以對氨分析儀進行校準。

3.3 泄漏原因分析

通過檢漏方案的設計，在泄漏發生時可以快速定位泄漏點，根據尿素高壓設備的特點，可以從以下幾個方面查找尿素高壓設備泄漏的原因：

1)通過檢漏孔結構分析。根據高壓殼體結構和襯里加工工藝的不同，檢漏孔結構有多種型式[7]，該項目采用在內部襯里施工前鉆出檢漏孔并焊接檢漏管的插管檢漏結構型式，可以通過拆除檢漏孔外防護板，利用視頻內窺鏡檢查尿素設備檢漏孔結構與圖紙是否一致，檢查檢漏孔是否存在裂紋，調查檢漏孔在使用過程中是否通暢。

2)通過襯里表面變化分析。該項目采用的雙相不銹鋼襯里板表面顏色應為銀白色或銀灰色，通過檢查襯里打磨痕跡部位(在制造過程中可能發生的電弧擦傷或鐵素體污染或其他原因造成的襯里損傷)的腐蝕情況，檢查襯里是否存在穿透性腐蝕、裂紋、凹陷。

3)通過襯里板焊縫分析。襯里板焊縫顏色應為銀灰色，檢查頂部封頭和人孔連接部位的堆焊層顏色的變化，如果焊縫呈黑色或褐色說明焊材有問題或者堆焊層厚度不夠，而該部位鐵素體含量可能超標，同時檢查縱焊縫和環焊縫起弧、收弧部位是否產生缺陷。

4)通過設備進出管口、螺栓、人孔分析。設備進出管口、螺栓、人孔在使用較長時間后，易存在較大的應力集中和微觀裂紋，通過金屬記憶檢測脆性程度，判斷各構建是否存在缺陷。

4 結束語

安全生產不僅是設計、制造和使用管理，周期性檢驗也是不可忽視的一環。尿素高壓設備是化工生產企業最重要的壓力容器之一，近年來國內外尿素高壓設備在運行過程中未能及時發現泄漏險情，最終導致嚴重安全事故的發生，很大原因就是由于檢漏過程不規矩和檢漏系統不完善。因此，采取切實可行的技術措施對尿素高壓設備的泄漏情況進行連續在線的嚴密監測，提高預防重大惡性事故的發生的能力，從而確保尿素高壓設備安全穩定運行。