尿素合成塔不銹鋼襯里更換技術及質量控制

李正方，王會瓊

(1.云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338;2.云南大為化工裝備制造有限公司，云南 沾益 655338)

尿素合成塔是斯那姆氨汽提尿素生產裝置中最關鍵的設備之一，其結構為立式反應容器，由上、下封頭，筒體和內件等構成。設備內直徑 Φ1250 mm，高度約 30.6 m，筒體采用多層層板包扎結構，總壁厚為 84 mm，層板材料為 15 MnVR;襯里壁厚 6 mm，材料為316L-UG;盲層壁厚 6 mm，材料為 15 MnVR;上、下封頭為單層半球形結構，材料為 19 Mn6，壁厚為 68 mm，上、下封頭的內表面均襯有 6 mm 厚316L-UG不銹鋼襯里。人孔內徑為 Φ500 mm，人孔內表面和人孔蓋耐蝕表面襯有厚度為 6 mm 的不銹鋼襯里，襯里材質均為316L-UG;塔內安裝12層塔盤，塔盤間距為 1900 mm。

設備經過二十多年運行后，塔內壁的襯里及焊縫出現不同程度的腐蝕減薄，經檢測發現從塔頂部向下第1～3節筒體的襯里腐蝕減薄最為嚴重，必須進行更換修復[1]。合成塔主要設計參數及規格(見表1)。

表1 主要設計參數及規格

1 襯里腐蝕情況

1.1 上部襯里

從合成塔不銹鋼襯里整體腐蝕情況來看，合成塔的中上部襯里腐蝕最為嚴重，測厚數據詳見表2。合成塔的上部為溫度的最高區域，而且該區域氨基甲酸銨的濃度相對也比較高，腐蝕最嚴重。經對尿素合成塔所有筒節襯里測厚，發現上部三個筒節襯里腐蝕最為嚴重，最薄處僅為 3.3 mm 厚，平均厚約為 3.6 mm。襯里原設計厚度為 6 mm，最大減薄量達到 2.9 mm(見表2)。經過測算合成塔襯里使用年腐蝕速率0.2～0.3 mm/a，襯里的腐蝕速率加快。其余襯里筒節壁厚平均在4.8～5.4 mm，大于計算厚度，還能滿足安全使用要求[2]。

表2 合成塔測厚平均數據表

1.2 襯里焊縫

經檢查發現，襯里縱、環焊縫邊緣多處腐蝕呈刀口狀，腐蝕主要在焊縫與母材的融合線上，沿著融合線向母材部分選擇性腐蝕，焊接熱影響區內母材腐蝕更為嚴重。由于歷年來打磨補焊導致補焊焊縫缺陷及熱影響區的襯里組織敏化，產生并加速了晶間腐蝕。焊縫上則發現多處針孔腐蝕，主要是焊縫內夾雜了氣泡，當表層被腐蝕透以后，介質對焊肉針孔處腐蝕(見圖1)。甲銨液對不銹鋼晶間腐蝕的作用很強，若襯板固溶處理工藝不當，會析出碳化物產生嚴重的晶間腐蝕，手摸后晶粒脫落情況[2]。

圖1 襯里刀口腐蝕

1.3 襯里金相組織

襯里采用的尿素級不銹鋼(316-UG)，因其組織均勻，各部位的腐蝕速度應基本一致。但在檢查中發現，襯里表面顏色呈現出深灰色，并有大量金屬顆粒粉末脫落。襯里表面較粗糙且有凹凸不平，部分襯里表面存在類似圓狀突起(見圖2)。經對襯里表面進行鐵素體檢測，鐵素體質量分數為0.68%～1.3%，已超過標準要求(<0.6%)。襯里嚴重減薄凹陷處鐵素體質量分數超標達1.3%，相對凸起約處為0.68%。尿素氨基甲酸銨液對奧氏體和鐵素體不銹鋼及其焊接接縫具有強烈的選擇性腐蝕。由于襯里鐵素體含量超標，在這些鐵素體含量超標處，鐵素體組織優先被腐蝕凹陷，而鐵素體含量超標較小處腐蝕速率較慢厚度相對較厚。因此，在該襯里表面呈凹凸起伏狀(見圖2)。采用打磨拋光的方式去除粗糙表面再進行鐵素體檢測，但是檢測結果同樣。

圖2 腐蝕嚴重的襯里表面

1.4 襯里最小厚度

根據工程設計標準 D10―AlOS―95，在考慮不失穩條件下，可用下式進行計算：

(1)

式中：δ為襯里厚度，mm;D為容積內徑，mm(取 1250 mm);Et為金屬溫度下的彈性模數，MPa(取184×103MPa)。

按上式計算得出，襯里最小厚度約為 2.74 mm。

開車期間，由于襯里與殼體之間的熱膨脹不同引起襯里翹曲的條件下，可用下式進行計算：

(2)

式中：δ為襯里厚度，mm;D為：容積內徑，mm(取 1250 mm);t為：壓力低于 0.6 MPa 時的最高溫度(通常取 150 ℃);αL為溫度為v時襯里材料的線膨脹系數(通常為1.7×10-31/℃);αS為溫度為v時殼體材料的線膨脹系數(通常為1.16×10-31/℃)。

按上式計算出最小厚度約 2.93 mm。為確保設備使用安全，最小襯里壁厚t值應取兩計算值的較大者，即取 2.93 mm。

尿素合成塔上部的三節襯里筒節最小壁厚為 3.3 mm，與計算出的最小壁厚 2.93 mm 較接近，設備安全運行存在非常大的安全隱患。下部襯里筒節壁厚在4.8～5.4 mm，根據歷年合成塔襯里筒體測厚數據得出的腐蝕速率并結合計算出的襯里必須的最小厚度，其余筒節襯里還可繼續使用。

2 襯里更換方案比較

塔體上部三節襯里筒節腐蝕減薄問題嚴重，經對檢測及計算結果可知，為確保合成塔安全穩定運行，必須對此三節襯里進行更換。每個襯里筒節高 1900 mm，內徑為 Ф1250 mm，總的更換面積為 22.37 m2。根據設備結構和襯里更換面積，有以下方案：

1)貼襯

貼襯方法是利用現有的舊襯里作為墊背，在其表面再貼一層新襯里。采用此方法的弊端是塔內徑變小，導致塔盤間隙變小，原塔盤須修改外形尺寸才能安裝。另外，因舊襯里表面腐蝕導致凹凸不平，按貼合度不大于 1 mm 的要求，新舊襯里之間的貼合度不易保證。特別是，在升溫和卸壓過程中，襯里因受過大壓應力而失穩鼓包，導致襯里損壞。所以，此種方法僅適用于局部小面積的貼補，不宜用于大面積貼補。

2)拆除舊襯里更換新襯里

先拆除舊襯里再貼新襯里，此方法易保證襯里與承壓殼體間的貼合間隙，并可以疏通和檢查檢漏孔，改善襯里的受力狀況。因本設備結構較特殊，在不損傷設備主體結構的情況下，襯里只能從下封頭上的人孔送入塔內。人孔直徑 Φ500 mm，襯里須分瓣后才能送入塔內進行拼焊。由于拼接焊縫多，焊接工作量大，施工效率低。

若采用損壞設備主體，即將上封頭沿焊縫線切割取下，待舊襯里拆除，新襯里更換完畢后再重新組焊封頭。此方法的優點是更換的襯里質量容易保證，缺點是封頭切割需要專用工具，焊后需對焊縫按原設計圖樣要求進行無損檢測和局部熱處理，施工工期較長，適合一次性更換全部襯里。

本次只更換塔體上部三個襯里筒節，面積較小。結合成本和工期的綜合考慮，優先考慮不損傷設備主體結構，襯里只能從下封頭上的人孔送入塔內進行更換。

3 襯里更換及修復關鍵質量控制

1)材料選用[3]

①新襯里材料選用尿素級不銹鋼316LMod(724L)，板厚為 6.0 mm。

②手工電弧焊焊條選用牌號為OK310Mo-L，規格為 Ф3.2 mm 和 Ф4.0 mm;手工氬弧焊焊絲選用SANDVIK R25-22-2LMn，規格為 Ф2.4 mm。

2)襯里板預制

根據設計圖樣預制新襯里，每圈分3片，每片弧長 1320 mm(下料時需留有約 10 mm 的余量)，寬度不得超過 490 mm，總片數根據實際貼襯的范圍確定;新襯里坡口環焊縫加工成20°、縱焊縫坡口加工成30°的內坡口后，預制成半徑為R619的弧板，卷制后對新襯里板做酸洗鈍化處理。

采用專用的包裝箱，對制作合格的襯里板進行分層包裝并作好標記，包裝要嚴密，防止在吊裝和運輸當中造成磕碰、劃傷，防止鐵離子和氯離子等對襯里產生污染。

3)襯里拆除及襯墊槽打磨

拆除襯里交應先拆除貼襯區域的塔盤，并對塔盤進行編號，標記須保證在施工期間清晰可見。在貼襯區域利用塔盤和支撐工裝作為施工平臺，采用碳弧氣刨和砂輪沿切割線去除需要貼襯里處舊襯里蓋板和貼襯里區域的塔板支架，切下的蓋板分割成小片從人孔吊出塔外，塔板支架切除后，需采用砂輪打磨清理焊縫并盡量把蓋板下面的原襯里(沒有腐蝕減薄)打磨與其相鄰部位襯里平齊。

襯里拆除采用自上而下進行，拆除后逐段對筒體進行打磨處理(包括打磨襯墊槽、清理氣刨及焊接飛濺等)，舊襯里拆除采用碳弧氣刨+砂輪片切割的方法，切割時盡量避免傷到碳鋼殼體表面(碳弧氣刨保留1～2 mm 不刨，采用砂輪片切割保留部分)，并防止污染、堵塞檢漏孔。襯里更換前需在原襯里上標識好貼襯位置檢漏孔，并對塔體上檢漏系統進行恢復、疏通。在新襯里內壁上加工出R 2.5 mm、深 2 mm 的縱、環檢漏槽，采用電鉆在每片貼襯里對應的原襯里上鉆兩個 Ф6 mm 小孔，使之與原檢漏系統貫通。

在新襯里焊縫對應的碳鋼承壓殼體上打磨出襯墊槽，襯墊槽深度 1.5 mm，寬 25 mm，要求圓滑過渡，以減小應力集中。新襯里組對前，在環、縱焊縫背面安裝寬度 15 mm，厚度 1 mm，材質為316 Lmod的襯墊板，襯墊板兩邊應打磨成弧形，以利于弧形襯墊槽貼緊并確保整個筒節的襯里貼板相連通，便于氨檢漏試驗。

4)合成塔檢漏系統改造

原合成塔的筒體每條環焊縫的蓋板角焊縫處設有316L材料的檢漏管共56根。在殼體環焊縫上下各 Ф38 mm 處，分別開兩個檢漏孔。由殼體外向內鉆 Ф14.5 mm 的孔，孔內插入 13.7 mm×3.02 mm 的不銹鋼管，不銹鋼管與襯里焊死，焊后將襯里蓋板密封焊(見圖3)。襯里檢漏是采用環縫蓋板加角焊縫結構形式，襯里環縫可以進行檢漏，但是縱縫不能進行檢漏，存在一定的安全隱患。另外，本次合成塔更換襯里是由人孔進入塔內，焊縫數量增加約四倍，而焊縫數量增加將導致焊縫泄漏的幾率增大。因此，利用更換襯里時對檢漏系統進行改造重建，一旦尿素合成塔襯里環、縱焊縫出現泄漏時，能夠及時發現就可以避免或減少安全事故[4]。

圖3 原設計檢漏系統結構

刨除舊襯里后，在盲層板內壁表面上加工出縱向和環向的溝槽作為檢漏槽，使新檢漏槽與原有的檢漏槽貫通(見圖4)，對原檢漏系統進行疏通并形成一個新的檢漏系統。在盲層板內壁表面加工檢漏槽不影響設備筒體承壓強度，在合成塔強度計算時，襯里層及盲層板都不計入受力厚度。

圖4 改進后檢漏系統結構

5)新襯里的裝配與焊接

在新襯里組對前先按原設計中襯里上的接管、溫度計套管等方位開孔，并打磨焊接坡口。貼襯從下向上進行，根據襯里板的板寬劃水平線，作為裝配輔助基準線，將已預制好的襯里板吊入塔中進行組焊，縱、環焊縫均采用氬弧焊焊接。襯里貼板和基層板夾層內不存在殘余空氣，避免裝置停車排放時襯里貼板可能出現膨脹失穩現象，襯里貼板之前，須將每個筒節的所有檢漏孔疏通。襯里組裝時，用專用工裝撐緊襯里，然后點固、焊接，組焊時要求接頭部位須最后貼緊，以保證襯里與承壓殼體充分貼緊，新襯里板的局部不貼合間隙應≤1 mm。然后再按上述方法進行上一節襯里組焊(襯里環、縱縫焊接接頭見圖5)。

圖5 襯里筒體環、縱縫焊接接頭

新襯里與舊襯里筒節環焊縫接頭處，因舊襯里筒體下環縫無法打磨襯墊槽，故墊板可直接嵌入原襯里下面。焊接前，先打磨成20°外坡口，對舊襯里坡口做著色(PT)檢測無裂紋等缺陷后，按照襯里環焊縫焊接工藝完成組焊。

施焊要求：焊接工藝應嚴格按經焊接工藝評定合格的，焊工須有相應焊工資質，焊材須經復驗合格?？v焊縫采取“氬弧焊+手工電弧焊+氬弧焊”的焊接工藝，環焊縫采取“氬弧焊+手工電弧焊”的焊接工藝，焊縫錯邊量≤1 mm。焊接參數見表3。

表3 襯里環縫、縱縫焊接參數

組裝、焊接襯里時，最后一塊襯里板按實際尺寸下料，使熔敷金屬盡可能少，以減小焊接帶來的收縮變形。焊接順序采用先焊接縱縫，再焊接環縫。為保證焊接質量，所有焊縫均采用手工氬弧焊打底，每道焊縫焊完后應仔細檢查、磨去收弧坑，焊縫焊完后著色(PT)檢測，鐵素體含量檢查。在焊接過程中，要嚴格按照焊接工藝規程施焊，焊接過程始終遵循小的線能量輸入，控制焊接電流及焊接速度，防止熱量輸入過大造成焊縫的耐腐蝕性能下降并嚴格控制層間溫度，并做好起弧、收弧處的技術處理。襯里更換完畢后，須對襯里板面、隔離槽堆焊層及所有襯里焊縫做宏觀檢查，并對堆焊層及焊縫進行著色(PT)，檢測標準NB/T47013-2015 I級合格;鐵素體(FT)檢測，鐵素體質量分數應≤0.6%。

6)襯里修復

襯里表面若有較小的蝕坑、蝕溝及表面裂紋，需打磨去除，邊緣要圓滑過渡;打磨深度≤2 mm，然后進行補焊。襯里局部有大面積腐蝕的，通過打磨、拋光、鈍化的方法處理，以減緩腐蝕。打磨時，應采取措施防止襯里過熱，不得出現氧化變色現象，并用角磨機布沙輪機械拋光。

襯里焊縫的修復，包括原襯里焊縫、塔板支架角焊縫、接管焊縫及封頭堆焊層的修復，其修復的方法與襯里表面修復是一致的。對焊縫上肉眼可見底且深度很淺的氣孔、未熔合孔隙、腐蝕孔洞，可不做處理。若較深，可以局部打磨，邊緣應圓滑過渡，打磨深度 ≤2 mm 的可以不補焊。打磨深度 >2 mm 但未穿透耐蝕層的，可以用R25-22-2LMn焊絲氬弧焊補焊。對出液管彎頭處腐蝕的焊縫，采用氬弧焊+手工電弧焊補焊，腐蝕減薄的塔盤支架采用手工電弧焊。對所有修復處進行表面著色和鐵素體檢測，鐵素體質量分數≤0.6%，檢查不合格的應重新打磨補焊，對缺陷打磨的范圍及焊接次數應盡量少，并盡量采取小范圍內補焊。

7)襯里檢驗及驗收[5]

①襯里氨滲漏試驗

試驗方案根據 HG/T20584附錄A 壓力容器氨檢漏試驗方法A進行。即先通入氨氣使壓力(表壓)逐漸升到 2.5 kPa，保壓 12 h 后在襯里焊縫上貼上顯色劑酚酞試紙檢漏，無紅色產生即為合格，在通氨前后注意用氮氣置換干凈。經檢驗未見漏點，試驗一次性合格。

②設備耐壓試驗

襯里氨泄漏試驗合格后，對設備進行整體水壓試驗，應嚴格控制水中氯離子質量濃度≤25 mg/L，水溫不得低于 15 ℃。按標準GB/T150-2011要求緩慢升壓至設計壓力(16.7 MPa)，確認無泄漏后繼續升壓至水壓試驗壓力 21 MPa，保壓 30 min，然后降至設計壓力，保壓足夠時間對設備進行檢查，無泄漏，無可見變形和異常聲響為合格，經檢驗設備水壓試驗合格。

水壓試驗合格后，為了確保焊縫還應對襯里焊縫表面進行著色檢測，檢驗合格后。對襯里表面進行酸洗鈍化處理，并采用藍點法檢測，以無藍點為合格。經一系列相關檢測及檢驗均達到相關要求，證實所采用的襯里更換方法是切實可行的。

4 結語

通過對尿素合成塔襯里更換的關鍵工序及其質量控制要點嚴格把關，自襯里更換后投用運行狀況良好。實踐證明，該種襯里更換技術是可行，可為類似產品施工提供借鑒。