尿素合成塔的爆破事故在國內已經發(fā)生了多起,事故現場觸目驚心,給人民生命和國家財產造成的損失,應引起尿素生產企業(yè)的高度重視。
一、尿素合成塔的主要破壞形式
水溶液全循環(huán)法尿素合成塔是用不銹鋼和低合金鋼制造的多層包扎式高壓容器,塔體由多個筒節(jié)與上、下封頭焊接而成。多層包扎式厚壁圓筒由內筒、盲層與層板3部分組成,內筒采用超低碳奧氏不銹鋼板材,在高壓狀態(tài)下要求嚴密不漏,并具有抵抗介質腐蝕的能力。層板則采用一定的方法使之很好地貼合在內筒上,且與內筒形成一個整體筒節(jié),塔體質量的好壞往往取決于層板間的貼合程度和環(huán)焊縫裝配及焊接的質量。多層包扎式圓筒在包扎層板時,靠鋼絲索拉緊與焊接的收縮作用使各層間存在有預應力,內層受到壓緊力,當筒體承受內壓時,由于預應力的作用可以抵消部分拉應力,使筒壁內應力較相同條件下的單層筒體分布均勻,可以提高筒體的彈性承載能力。從理論上講多層包扎厚壁圓筒的壁厚應比相同條件下的單層筒體薄,但因預應力的大小與層板縱焊縫寬度、每層層板上縱焊縫數量、焊接規(guī)范、焊接材料、包扎的松緊程度等許多因素有關,在設計時尚無法定量計算。另外,多層包扎式筒體的縱焊縫沿壁厚方向是非連續(xù)的,對筒體強度的削弱也較單層筒體小。所以,在設計時仍采用單層厚壁圓筒強度計算公式進行應力計算。
尿素合成塔在使用過程中產生的主要破壞形式有2種,一是內筒泄漏引起的破壞;二是筒節(jié)層板和環(huán)焊縫發(fā)生應力腐蝕斷裂而引起的破壞。
1.內筒的泄漏
尿素合成塔內的尿素溶液(氨基甲酸銨溶液)在反應中對碳鋼有強烈的腐蝕作用,一旦穿過不銹鋼內筒流至碳鋼層板以后腐蝕速度會急劇增加,在較短時間就可以腐蝕擴展到穿透筒壁。
內筒的泄漏往往由于內筒上的點腐蝕、縫隙腐蝕、裂紋而引發(fā),在工作條件下引起不銹鋼內筒腐蝕的因素很多,其中尿素反應液中存在CI-是產生點腐蝕、縫隙腐蝕及裂紋的主要因素。
2.層板和環(huán)焊縫的應力腐蝕斷裂
應力腐蝕斷裂的特點是幾乎完全沒有金屬宏觀體積上的塑性變形,這種斷裂會造成壓力容器的災難性事故。由于應力腐蝕裂紋產生、擴展,一直發(fā)展至達到和超過臨界裂紋長度需要一個過程。因此,能產生應力腐蝕裂紋的壓力容器承受到一定拉應力作用,并不馬上發(fā)生應力腐蝕斷裂,而是在經過一段時間以后(幾小時、幾日、幾月、甚至幾年),往往在沒有預兆的情況下發(fā)生突然斷裂。
上述2種破壞形式中,第二種的預防難度及危害程度顯然大于第一種。
二、應力腐蝕斷裂發(fā)生的條件
1.一定的拉應力或壓力容器金屬內部的殘余拉應力;
2.金屬本身對應力腐蝕的敏感性;
3.能引起該金屬發(fā)生應力腐蝕的介質。
拉應力、敏感金屬、特征腐蝕介質是發(fā)生應力腐蝕的三個必要條件,三者缺一,應力腐蝕就不可能發(fā)生。
尿素合成塔的操作壓力19.6MPa,筒體存在制造產生的殘余應力和工作狀態(tài)筒壁內外濕差產生的熱應力。
多層板材15MnVR鋼是屈服強度為400MPa級普通低合金高強度鋼(大多數尿素合成塔的層板都是選用15MnVR鋼),雖然有較高的強度,但塑性、韌性都較C-Mn鋼低,且有,較高的缺口敏感性和時效敏感性。
生產區(qū)域的工業(yè)大氣含有氨氣、檢漏蒸汽中含有的CI-、Na+、NH+3,以及氨滲透試驗殘留在盲層中(或其他層板貼合間隙之中)的氨。
由此可見,尿素合成塔在生產運行過程中能夠同時具備應力腐蝕斷裂發(fā)生的三個基本條件。