检验在合成氨装置压力容器的应用论文

检验在合成氨装置压力容器的应用论文

　　摘要：:采用基于风险的检验(ＲBI)技术对某公司合成氨装置的61台压力容器进行了风险评估。分析了装置存在的损伤机理，给出了61台容器的评估结果及设备高风险的原因。依据评估结果及相关标准规定，制定了容器的检验范围、检验方法和开罐检验建议，为后期的定期检验提供参考。

　　关键词：:基于风险的检验;合成氨;损伤机理;检验方法

　　近年来，基于风险的检验(Ｒisk-basedInspection，简称ＲBI)技术在国内石油、化工等行业得到了推广及应用，不但降低了企业的生产成本和检修费用，而且能够有效发现安全隐患，预防安全事故，确保企业生产安全，实现装置长周期运行。目前，国内的很多合成氨装置都采用了ＲBI技术并取得了较好效果［1-4］。因此，某公司于2017年5月委托中国特检院对合成氨装置进行了ＲBI风险评估。ＲBI是以设备破坏而导致的介质泄漏为分析对象，以设备检验为主要手段的风险评估和管理过程。它是在科学分析评估设备的潜在损伤机理、失效模式、失效概率及失效后果等基础上，对设备风险进行排序，找出主要问题和薄弱环节，为制定有针对性的检验方案提供参考［5］。传统检验主要从保障容器的安全角度出发来确定相应的检验方法和检验周期，检验的重点不突出。而采用ＲBI技术，可以依据风险评估结果、考虑设备固有的或潜在的失效风险，制定针对性的检验策略，合理分配检验资源。

　　1合成氨装置概况

　　某公司合成氨装置于2013年3月投入使用，生产能力为280kt/a，日产约1000t，基本的生产方法是以煤为原料生产合成氨。原料煤经多元料浆气化工艺制备粗合成气，粗合成气经耐硫宽温变换、低温甲醇洗及液氮洗后，进入合成塔合成氨。合成氨装置主要包括气化系统、净化系统和合成系统，其中气化系统由料浆制备工段、气化工段及渣水工段组成;净化系统由变换工段、脱硫/脱碳工段、液氮洗工段和硫磺回收工段组成;合成系统主要由合成气压缩工段、冰机工段和氨合成工段组成。

　　2装置损伤机理

　　合成氨装置潜在的损伤机理主要为腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化和机械损伤。其中，腐蚀减薄主要包括高温硫化物腐蚀、二氧化碳腐蚀、外部腐蚀及高温氢腐蚀;环境开裂主要包括氯化物应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂;材质劣化主要包括回火脆化、再热裂纹;其他损伤主要包括冲刷、衬里失效等。

　　2．1腐蚀减薄

　　2．1．1高温硫化物腐蚀高温硫化物腐蚀通常在铁基合金温度超过260℃时发生，温度越高，腐蚀越快。一般分为无氢气环境中的高温硫化物腐蚀和氢气环境中的高温硫化氢腐蚀。装置中处理含硫物料的高温设备易发生高温硫化物腐蚀。

　　2．1．2二氧化碳腐蚀二氧化碳和水共存条件下，易对钢铁材料发生腐蚀，即二氧化碳溶于水形成碳酸(H2CO3)时会发生二氧化碳腐蚀。酸会降低pH值，足够的量会促进碳钢的均匀腐蚀和点蚀。装置中的锅炉给水和蒸汽冷凝系统、二氧化碳吸收工段易发生二氧化碳腐蚀。

　　2．1．3外部腐蚀裸露设备管道的大气腐蚀和有保温材料覆盖的设备管道的保温层下腐蚀(CUI)统称为外部腐蚀。装置中操作温度为－12～121℃，无保温层的碳钢或低合金钢容器，均可发生外部腐蚀，特别是漆层脱落部位、操作温度在常温附近波动的部位及停工或长期停用的压力容器，易发生外部腐蚀。

　　2．1．4高温氢腐蚀碳钢或低合金钢设备长期暴露在高温临氢环境下工作，当温度高于204℃、氢分压大于0．51MPa时，活性的氢原子会向金属基体内扩散，与金属表面或内部的碳化物反应生成微量的甲烷，表现为钢材表面或内部脱碳;微量的甲烷气体聚集形成很大的内应力，最终造成钢材表面鼓包或开裂，削弱金属材质整体强度从而使设备发生失效。合成塔及其附近的进料/出料换热器易发生高温氢腐蚀(HTHA)。

　　2．2环境开裂

　　2．2．1氯化物应力腐蚀开裂氯化物应力腐蚀开裂是在拉应力与氯离子联合作用下形成的一种材料开裂，是应力腐蚀开裂的一种形式。一般来说，氯离子浓度越高，越易产生应力腐蚀开裂。合成氨装置中的奥氏体不锈钢设备易发生氯化物应力腐蚀开裂。

　　2．2．2氨应力腐蚀开裂一般情况下，碳钢、低合金钢在无水液氨中只发生轻微的均匀腐蚀，但在充装、排料及检修过程中，氧、二氧化碳和氨反应生成的氨基甲酸铵对碳钢、低合金钢有强烈腐蚀作用，加上焊缝处残余应力较高，从而使钢材表面的钝化膜产生破裂，造成应力腐蚀。装置中接触液氨的碳钢、低合金钢容器易发生氨应力腐蚀开裂。

　　2．3材质劣化

　　2．3．1回火脆化装置中的低合金钢(如铬-钼钢)设备长时间暴露在343～593℃时，会使材料金相组织改变而导致材质韧性下降，引起韧性—脆性转变温度升高，产生回火脆化。在操作温度下这种脆化并不明显，但在环境温度下就会显现出来，并能够造成材料脆性断裂。

　　2．3．2再热裂纹金属在焊后热处理或高温服役期间，高应力区发生应力消除或应力松弛，粗晶区应力集中区域的晶界滑移量超过该部位塑性变形能力而发生开裂。装置中高强度低合金钢制造的设备及厚壁容器的接管焊接接头等高拘束区容易产生再热裂纹。

　　2．4其他损伤

　　2．4．1冲刷腐蚀冲刷腐蚀是指固体、液体、气体及其混合物的运动或相对运动在流体与金属之间产生切应力造成的损伤。冲刷腐蚀能剥离金属表面层，造成表面材料的损耗。装置中所有暴露在流动介质环境下的设备都会产生冲刷腐蚀，严重冲刷腐蚀主要发生在合成氨装置的进料部位、高流速部位等。

　　2．4．2衬里失效衬里和基材热膨胀系数差别较大(差值可达30%甚至更大)，由于焊接后变形不协调，可产生局部高应力，甚至引发衬里开裂。因此，装置中使用衬里的设备存在衬里失效的可能。

　　3ＲBI风险评估结果

　　该次评估范围为合成氨装置的61台压力容器，其他容器、管道、安全阀不在该次评估范围之内。评估范围内设备类型见表1。评估采用中国特检院自主开发的石化设备风险评估软件，首先对61台容器的原始资料(设计资料、工艺资料和检验资料等)进行收集、整理及录入，建立数据库;然后将61台容器共划分了101个评估单元，根据装置的工艺流程划分了33条物流回路。由于只是对部分容器进行评估，没有划分腐蚀回路。对61台容器涉及的15种原材料牌号，选取软件提供的相应材料牌号进行替代;最后参考中国特检院提供的腐蚀速率专家数据库选取腐蚀速率，所有涂层、保温层状况均设定为一般，采用温和性气候的腐蚀环境来计算外部腐蚀速率。

　　3．1风险评估结果

　　根据某公司的检修计划，选择2017年5月30日作为风险评估时间点，评估结果见图1。由图1可见，评估单元中有5个高风险评估单元，占整个评价单元的比例为4．95%;中高风险评估单元有18个，占整个评价单元的比例为17．82%;中风险评估单元55个，占整个评价单元的比例为54．46%;低风险评估单元23个，占整个评价单元的比例为22．77%。失效可能性等于5的评估单元有1个，失效可能性等于4的评估单元有7个，其余评估单元的失效可能性都小于3。

　　3．2高风险设备分布及原因

　　表2列出了风险居前的5台容器，分别为V-2101，E-2101，Ｒ-2101，E-2102和E-2103。这几台设备失效可能性高的原因是涉及的破坏模式较多，如E-2101，Ｒ-2101和E-2103都有几种破坏模式叠加，说明这些设备的腐蚀速率高、应力腐蚀敏感性高。失效后果严重的原因是因为介质易燃、易爆、有毒且处于高温高压状态，设备一旦破坏后，泄漏速率大，造成影响的面积大。另外，建议这些设备在年度检查、日常维护和监控过程中给予重点关注。

　　4检验策略的制订

　　ＲBI评估是为了指导和优化检验，检验计划和检验方案的制订主要依据风险评估结果、GB/T26610．2—2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则第2部分:基于风险的检验策略》及GB/T30579—2014《承压设备损伤模式识别》。

　　4．1检验范围的确定

　　容器的检验范围确定原则见表3。建议首次检验时按照较高保守程度确定检验范围，优先抽检失效可能性大于等于3、材质劣化和环境开裂敏感性较高的、有衬里的及超过设计寿命的设备。

　　4．2检验方法的确定

　　(1)失效模式为均匀腐蚀、局部腐蚀减薄或外部腐蚀的，检验方法以宏观检查与超声测厚为主。宏观检查主要包括外观、结构及几何尺寸等检查;壁厚测定应当按照TSG21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求选有代表性的位置。(2)失效模式为应力腐蚀开裂的，在宏观检查和超声测厚的基础上，进行超声波探伤、声发射检测。(3)失效可能性大于3的压力容器，检验比例按GB/T26610．4—2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则第4部分:失效可能性定量分析方法》中列出的“高度有效”或“中高度有效”选择;失效可能性小于或等于3的按“中高度有效”或“中度有效”选择。

　　4．3开罐检验建议

　　根据风险评估的结果以及现场实际情况，对合成氨装置压力容器是否需要开罐检验提出如下建议:(1)在能进入内部检验的情况下，高风险设备一定要开罐进行内部检验;低风险设备一般无需开罐检验。中高风险、中风险设备失效可能性等级为1和2的，如果无内壁应力腐蚀开裂或局部腐蚀环境，一般可不开罐检验;失效可能性为3的，视设备具体情况决定是否需要开罐检验;失效可能性为4或5的，通常应安排开罐检验。(2)根据工艺需要，如更换催化剂、工艺变更、设备改造或操作时有异常情况的容器，通常应开罐检验;内部有特殊介质，开罐后反而会造成腐蚀的设备可不开罐，但应增加对内壁腐蚀环境有效的检验手段。(3)根据装置管理人员的经验，以及装置多年的运行情况与历次检验情况，认为有必要的均应开罐检验。对于首检设备，从工艺角度考虑需要开罐的，均应进行开罐检验。

　　5结论与建议

　　(1)该次评估对象为合成氨装置的61台压力容器。所涉及的主要损伤机理有高温硫化物腐蚀、二氧化碳腐蚀、外部腐蚀、高温氢腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂、回火脆化、再热裂纹、冲刷腐蚀及衬里失效。(2)该次评估结果中有5个高风险评估单元，18个中高风险评估单元，55个中风险评估单元，23个低风险评估单元。失效可能性为5的评估单元有1个，失效可能性为4的评估单元有7个，其余评估单元的失效可能性都小于3。(3)分析了设备高风险的原因，依据风险评估结果，给出了容器的检验范围、检验方法和开罐检验建议，为后期的定期检验提供参考。(4)建议定期检验实施后，将检验数据与该次风险评估的结果进行对比总结，实施再评估，进一步掌握设备的风险情况。另外，公司应做好日常巡检，并制订好突发事故的应急预案与抢险措施，降低设备的运行风险。

　　参考文献

　　［1］聂印，骆开军，陈贵堂，等．基于ＲBI的合成氨装置压力容器风险分析［J］．特种设备安全技术，2017(4):15-17，19．

　　［2］董绍平．基于风险的检验(ＲBI)在合成氨装置中的应用［J］．石油化工设备技术，2008，29(1):59-62，66．

　　［3］姜海一，张晓熙，贾国栋，等．基于风险的检验(ＲBI)在国内合成氨装置中的应用［J］．中国安全科学学报，2007，17(11):119-123．

　　［4］艾志斌，陈炜，周杨，等．ＲBI风险评估技术在苯乙烯丙烯腈装置压力管道上的应用［J］．压力容器，2007，24(11):35-39．

　　［5］李晓军．基于风险的检验在压力管道检验中的应用［J］．化工设备技术，2017，38(5):49-53．

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