1 引 言
　　本論文敘述了2011年初在世界級規(guī)模的斯那姆尿素裝置內(nèi)試運(yùn)行斯塔米卡邦設(shè)計(jì)的Safurex®高壓汽提塔的成功經(jīng)驗(yàn)。斯塔米卡邦設(shè)計(jì)的Safurex®高壓汽提塔取代了2003年雙金屬設(shè)計(jì)的斯那姆汽提塔，后者在開車后不久，容器底部槽型鋼材便出現(xiàn)極端腐蝕問題，導(dǎo)致持續(xù)出現(xiàn)運(yùn)行中斷并蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失。
　　針對原雙金屬汽提塔遇到的問題，決定用高壓Safurex汽提塔替代雙金屬管汽提塔。
　　所述Safurex®汽提塔從2003年3月至2006年11月共運(yùn)行850天，此后，所述汽提塔于2007年運(yùn)回加拿大并安裝于另一斯那姆尿素裝置上。所述汽提塔自2007年第三季度運(yùn)行至撰寫本文為止，在新安裝位置上未出現(xiàn)問題。
2  問  題
　　原高壓汽提塔是一種利用25-22-2不銹鋼在25-22-2 SS襯板上進(jìn)行堆焊的設(shè)計(jì)，以雙金屬換熱管[25-22-2 不銹鋼承壓外管和內(nèi)層702-鋯套管]作尿素工藝中的合金防腐保護(hù)換熱管，見圖1。堆焊采用了埋弧焊工藝[SAW]。雙金屬換熱管設(shè)計(jì)是從將鈦材料用作抵抗尿素溶液腐蝕的保護(hù)系統(tǒng)演化而來的。然而，新的雙金屬管設(shè)計(jì)證明，換熱器底腔耐蝕性較差，換熱器具有三個(gè)主要腐蝕問題，這將在本論文以下章節(jié)詳細(xì)展開。 　　繼雙金屬尿素汽提塔的一些零星發(fā)生的開車問題后，運(yùn)行6周后便出現(xiàn)了真正的問題：該尿素汽提塔的快速腐蝕已成重要的經(jīng)濟(jì)和安全問題）。2001年開車之后不久的日常巡檢顯示底部槽鋼襯墊的堆焊處發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[圖2]。
　　結(jié)果證明，在更換汽提塔之前接下來兩年的運(yùn)行中所遇見的腐蝕問題不過是冰山一角。在底腔發(fā)現(xiàn)三種不同類型的腐蝕，每一種均將在下文中詳細(xì)展開討論。此階段應(yīng)注意，雙金屬汽提塔的頂腔無腐蝕問題。以下的所有討論將嚴(yán)格圍繞雙金屬汽提塔的底腔中發(fā)現(xiàn)的問題。
　　第一類腐蝕問題出現(xiàn)在底部槽鋼襯板堆焊處。圖3中焊道交叉處發(fā)生的腐蝕為晶間腐蝕類型。底部管板堆焊處觀察到類似腐蝕情況。嚴(yán)重腐蝕視為由過多熱量輸入引起，SAW焊接工藝用于堆焊襯板和管板。 　　腐蝕非常嚴(yán)重須進(jìn)行重大修補(bǔ)，據(jù)此，對所有焊接交叉區(qū)域進(jìn)行了打磨，直至顯露出完好的金屬，然后采用氣體保護(hù)金屬弧焊工藝[SMAW]重新焊接。注意，作者在另外兩種以相同方式構(gòu)造的雙金屬汽提塔中見證了所述腐蝕，可能有更多證據(jù)可提供但未報(bào)告。經(jīng)驗(yàn)表明，使用鎢極惰性氣體保護(hù)焊接工藝是修復(fù)這些腐蝕區(qū)域的最好方法，但此類大面積腐蝕區(qū)域需要修復(fù)時(shí)，該工藝非常緩慢而且耗時(shí)。氣體保護(hù)金屬弧焊工藝僅次于上述修復(fù)方法，且經(jīng)驗(yàn)證明，在SAW熱影響區(qū)采用氣體保護(hù)金屬弧焊工藝進(jìn)行修復(fù)之后僅發(fā)生較小腐蝕。
　　雙金屬汽提塔遇到的其他兩種腐蝕類型是2001年9月份作者首先發(fā)現(xiàn)的換熱管與管板之間的焊縫和底部管板堆焊處有許多泄漏。
　　結(jié)果證明，對于許多換熱管與管板之間的泄漏和其他腐蝕相關(guān)的修復(fù)，這還只是個(gè)開始。
　　圖5至圖8顯示了遇到的其他類型的腐蝕問題。圖5顯示了管板堆焊處與底部槽型鋼材襯板堆焊處相似的晶間腐蝕類型。 　　圖7顯示了25-22-2不銹鋼管內(nèi)側(cè)的腐蝕，此處，與熱交換器換熱管相鄰的管板已采用附加堆焊。該腐蝕一開始并未出現(xiàn)，而只是從2002年開始出現(xiàn)。 　　圖8顯示了鋯襯套和25-22-2不銹鋼外管之間縫隙處發(fā)生的腐蝕。此類腐蝕無法輕易修復(fù)，且僅有溶液可堵住受影響的換熱管。 　　檢查了細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)修復(fù)是可行的，但在可預(yù)見的將來，缺陷[泄漏]發(fā)生頻率將增加，因而雙金屬汽提塔將變得更加不可靠。減少底腔的腐蝕問題發(fā)生的嘗試也一并納入了考慮。2002年第一季度，通過高壓壓縮機(jī)對底腔進(jìn)行了空氣噴射，同時(shí)出口溫度控制在最高溫度200℃以內(nèi)，且盡可能增加NH3與CO2的比率。
　　制定的工藝改變對減輕腐蝕問題沒有幫助且預(yù)測2002年至2003年第一季度將發(fā)生諸多泄漏�？偣灿�10次停運(yùn)導(dǎo)致86天的尿素裝置故障時(shí)間，所有停運(yùn)均由腐蝕問題引起，利潤和支出損失總計(jì)數(shù)百萬美元。3650根換熱管中總共有515根換熱管[占14%]須進(jìn)行堵塞。
　　此外，2001年與2002年的修理停機(jī)時(shí)間也造成供應(yīng)物流出現(xiàn)嚴(yán)重中斷，使得尿素產(chǎn)品須從國外進(jìn)口以滿足短缺。同時(shí)受影響的還有生產(chǎn)商的可靠尿素供應(yīng)商的信譽(yù)。
　　2002年，結(jié)合上述事件，內(nèi)部討論啟動(dòng)一個(gè)項(xiàng)目——購買利用鋯結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐的所有受潮內(nèi)部構(gòu)件制
成的新汽提塔。鋯汽提塔項(xiàng)目于2002年中期啟動(dòng)，且根據(jù)加急交貨時(shí)間表擬定的交付日期為2004年第4季
度。實(shí)際上，直到2006年第4季度，備用鋯汽提塔的交付才完成。
3  溶  液
　　2002年第4季度期間進(jìn)行了關(guān)于用斯塔米卡邦設(shè)計(jì)的Safurex®汽提塔暫時(shí)更換雙金屬汽提塔的可行性討論；完成鋯汽提塔的生產(chǎn)前，該汽提塔可為阿格瑞姆公司使用。可用的Safurex®汽提塔于2000年制造，并預(yù)定為加拿大阿格瑞姆公司斯塔米卡邦尿素裝置之一中計(jì)劃消除“瓶頸”項(xiàng)目后的備用汽提塔。
　　在暫時(shí)使用Safurex®汽提塔作為雙金屬汽提塔備用的規(guī)劃過程中，需要通過團(tuán)隊(duì)合作、定期項(xiàng)目更新和創(chuàng)造性思維解決大量障礙。這些障礙包括專利權(quán)和工藝設(shè)計(jì)差異[如傳熱系數(shù)、熱交換器換熱管尺寸和入口分離及液體分布等]。也必須考慮管道輸送和設(shè)計(jì)、液位控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其他問題為裝運(yùn)、起重機(jī)物流、接頭及停車協(xié)調(diào)等與施工相關(guān)的問題。租金和關(guān)稅、保險(xiǎn)、國家間的轉(zhuǎn)移支付和語言障礙[英語和西班牙語，荷蘭和意大利許可方]等商業(yè)問題也是所有必須克服的困難。
　　斯塔米卡邦從項(xiàng)目理念開始正式介入此項(xiàng)目，并有條件地為本項(xiàng)目提供全面支持。
　　無論要求項(xiàng)目如何快速實(shí)施，都要遵循所有主要項(xiàng)目步驟。沒有發(fā)生損失工時(shí)的事故，成本在預(yù)算以內(nèi)，且原計(jì)劃7個(gè)月內(nèi)完成的裝置更換，實(shí)際在5個(gè)月內(nèi)就完成了。2003年3月，項(xiàng)目成為現(xiàn)實(shí)，Safurex汽提塔代替雙金屬汽提塔投入了使用。
　　在2006年11月用鋯汽提塔更換前，Safurex®汽提塔在此期間運(yùn)行相當(dāng)成功。Safurex®汽提塔運(yùn)行期間，無腐蝕相關(guān)停運(yùn)并取得記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
4  更換雙金屬汽提塔
　　為了安裝Safurex®汽提塔以作為雙金屬汽提塔的備用，對液體內(nèi)部構(gòu)件和液體分布做了更改，以使斯塔米卡邦汽提塔能在斯那姆裝置中運(yùn)行。因許可問題，這些變更并不涉及斯塔米卡邦。此外，專利許可問題妨礙了本論文中液體分布變化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的公開。
　　然而，簡而言之，原斯那姆分配系統(tǒng)須全部重新設(shè)計(jì)，以發(fā)揮斯塔米卡邦設(shè)計(jì)的汽提塔的作用。堵住兩個(gè)入口液體噴嘴，并將頂腔內(nèi)原有兩處氣體出口管線進(jìn)行改裝，一處作為液體入口源，另一處作為氣體出口源。由于時(shí)間限制和其他問題[主要是材料可用性和交付時(shí)間]，如材料可用，頂部內(nèi)部構(gòu)件用25-22-2不銹鋼制造。如不可用，則用316L尿素級不銹鋼代替，某些情況下甚至可用標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼。
　　保留了2002年底腔空氣噴射以減輕雙金屬管腐蝕這一項(xiàng)目，該項(xiàng)目在Safurex®運(yùn)行期間仍舊繼續(xù)發(fā)揮作用。
　　Safurex®汽提塔的首次檢查預(yù)定于2004年初進(jìn)行。進(jìn)行首次檢查的工作周期相對較短，原因在于自2003年11月以來汽提塔性能下降。最初性能下降的原因可能是因?yàn)樽罱�停電已對汽提塔造成�?nèi)部損壞。
　　停電后，汽提效率變得更低，想到的可能原因?yàn)镾afurex®裝置內(nèi)發(fā)生腐蝕，或改進(jìn)的液體分配系統(tǒng)存在故障。結(jié)果證明，后者為效率低的主要原因。
5  汽提塔檢查
　　對Safurex®汽提塔總共進(jìn)行了三次檢查。第一次是2004年3月，第二次是2005年4月，最后一次檢查是在2006年11月。所有檢查均由斯塔米卡邦人員進(jìn)行并由阿格瑞姆公司見證。
　　對于2004年3月進(jìn)行的第一次檢查，Safurex®汽提塔已經(jīng)運(yùn)行了292天。在此期間，計(jì)劃測量熱交換器換熱管的壁厚并進(jìn)行目視檢查。
　　汽提塔一到，便提出了進(jìn)行設(shè)備檢驗(yàn)的條件，其中，出于保密原因，斯塔米卡邦不被允許檢查汽提塔的頂部且進(jìn)行檢驗(yàn)的時(shí)間限制為兩天。不允許檢查斯塔米卡邦的頂腔，并不是一個(gè)大障礙，因?yàn)樗鼓悄饭に囍凶顕?yán)重的工藝條件在汽提塔底部。
　　盡管因不得不將探針從底部管板插入而使檢查速度大大降低，仍可通過底部管板進(jìn)行遠(yuǎn)場渦流管檢測[RFT]測量。
　　由于僅有兩天檢查時(shí)間且鑒于通過底部管板進(jìn)行測量的不利條件，對所有熱交換器換熱管的壁厚進(jìn)行
測量顯然是不可能的。鑒于此，選擇了大約10%的熱交換器換熱管進(jìn)行壁厚測量以進(jìn)行代表性的腐蝕評估。
然后，須測量所選換熱管的總長度。
　　目視檢查期間，可以臨時(shí)決定對表面出現(xiàn)氧化物的換熱管進(jìn)行額外的測量。圖9顯示了底部管板的目視外觀，圖10顯示了待測量換熱管的管板布置。

	塞住	2.80 mm	2.95mm
	未測量	2.85 mm	3.00mm
	連接桿	2.90 mm	3.05mm
			>3.05

　　總共測量了11.7%的換熱管，對這部分換熱管壁厚的測量可視作整個(gè)管板區(qū)域的換熱管壁厚的代表。
　　2004年3月進(jìn)行的檢查得到的結(jié)論可總結(jié)如下；
　　• 熱交換器換熱管最嚴(yán)重的腐蝕出現(xiàn)在底部。目視觀察也顯示出在頂部改進(jìn)的液體分布狀況不良。[操作人員口頭證實(shí)液體分布器發(fā)生了機(jī)械損壞和部分腐蝕損壞]。部分管道底部有嚴(yán)重的氧化層堆積，其嚴(yán)重程度致使RFT探頭無法進(jìn)入這些管道。見圖9。
　　• 運(yùn)行292天，全管長的平均腐蝕速率總計(jì)為0.08 mm/y[結(jié)果見表1]。此腐蝕速率符合斯塔米卡邦池式合成塔尿素裝置中運(yùn)行的DSM汽提塔的第一次檢查的信息。斯塔米卡邦報(bào)告指出，像Safurex®這樣的雙相不銹鋼在第一年運(yùn)行中顯示出較高的腐蝕速率。這是材料金相組織的結(jié)果。
　　• 測量到的腐蝕速率也符合在采用25-22-2不銹鋼換熱管的高壓汽提塔中發(fā)現(xiàn)的平均腐蝕速率，生產(chǎn)中為0.07 mm/y。
　　• 檢查頂部三米的壁厚數(shù)據(jù)記錄（該處工藝條件可與斯塔米卡邦汽提裝置中汽提塔的工藝條件相提并論），運(yùn)行時(shí)腐蝕速率僅為0.03 mm/y。而顯著差異在于氧含量，其為0.45%，在斯塔米卡邦裝置中為0.6%。
　　• 無需測量襯里和內(nèi)部構(gòu)件。襯里和內(nèi)部構(gòu)件光滑，甚至能看見原有的標(biāo)記點(diǎn)和拋光區(qū)域。出現(xiàn)腐蝕的部件為25-22-2空氣分配器及其緊固件。此處表面有磨損，表明存在某些腐蝕活動(dòng)。
　　• 這些結(jié)果均考慮到與非常嚴(yán)重的操作條件[更多細(xì)節(jié)見表2]相關(guān)；
o 高溫，最高205℃；
o 熱交換器換熱管液泛；
o 分布問題所致出現(xiàn)濕/干換熱管；
o 氧含量低，0.45%。
　　Safurex®汽提塔的第二次檢查于2005年4月進(jìn)行。此次檢查距上一次檢查相差370天。斯那姆工藝條件下汽提塔的總運(yùn)行期為662天。
　　因上述原因，再次無法對汽提塔頂部槽鋼進(jìn)行檢查。檢查再次限制為兩天。這同樣并非為了規(guī)避不利條件。2004年檢查的結(jié)果并未顯示Safurex®組件有任何腐蝕問題，因此沒有理由進(jìn)行比2004年范圍更大的檢查。因此，2005年4月進(jìn)行了與2004年熱交換器換熱管進(jìn)行的測量相同的檢查。RFT結(jié)果如表1所示。
　　2005年4月進(jìn)行的檢查得出的結(jié)論可總結(jié)如下；
　　• 熱交換器換熱管最嚴(yán)重的腐蝕出現(xiàn)在底部，這一觀察再次得到證實(shí)。
　　• 與2004年3月發(fā)現(xiàn)的腐蝕速率0.08 mm/y相比，自開車至2005年4月，總腐蝕速率為0.07 mm/y。因?yàn)樽?004年3月檢查以來運(yùn)行時(shí)間為370天，腐蝕速率為0.05 mm/y。
　　• 也是在此時(shí)，無需測量襯套和內(nèi)部構(gòu)件，因?yàn)槲从^察到外觀變化。25-22-2不銹鋼空氣分配器及其緊固件的腐蝕最低。
　　2006年11月9日至13日期間對Safurex®汽提塔進(jìn)行了第三次檢查和最后檢查。在此次檢查中，對頂部槽鋼和底部槽鋼區(qū)域進(jìn)行了完整的目視檢查，并對所有3100根換熱管的全長范圍進(jìn)行100%RFT掃描。為完成這次檢查，2003年安裝的所有臨時(shí)內(nèi)部構(gòu)件全部拆除。因此，該報(bào)告中未提供有關(guān)這些部件情況的數(shù)據(jù)。
　　2006年進(jìn)行的檢查得出的結(jié)論可總結(jié)如下；
5.1 目視檢查結(jié)果
　A 頂部槽鋼
　　總的來說，發(fā)現(xiàn)頂部槽鋼狀況優(yōu)良[見圖11]。襯板和焊縫光滑，未觀察到腐蝕跡象。法蘭面光滑，腐蝕不明顯。操作中未使用吸入噴嘴，且襯里光滑，上半部分有較少的氧化物堆積，表示液位在頂部管板上方約350mm處。操作中使用兩個(gè)氣體出口噴嘴且襯里和焊縫沒有顯示腐蝕跡象。 　　換熱管和管端[橫切面端]呈現(xiàn)光滑至輕微侵蝕等不同的狀況。但未觀察到過度腐蝕。有大約50%的外突管端聚集有氧化皮，并超出了原來的加工容許誤差。
　　換熱管與管板之間的焊縫平滑且未觀察到腐蝕。
　　與隔離桿連接的螺母螺紋粗糙，需重新切割以備將來使用。也存在一些氧化皮。
　　管板和襯里之間的封頭過渡區(qū)半徑平滑[AGTAW-HW - 熱絲鎢極惰性氣體保護(hù)焊接形成的焊縫]。焊縫由通過ESW [電渣焊接]工藝堆焊覆蓋的管板部分被氧化層及管和管與管板焊縫覆蓋。模式不可辨認(rèn)[見圖12]。 　　55根換熱管中，發(fā)現(xiàn)薄的內(nèi)氧化層不足1mm厚。[見圖13]。 　　B. 頂 蓋
　　頂蓋上設(shè)置有大吊環(huán)[圖14]。整個(gè)工作周期內(nèi)不可移除該吊環(huán)。盡管存在此大吊環(huán)，襯里中未發(fā)現(xiàn)冷凝腐蝕[圖15]。襯里如焊縫一樣光滑。法蘭面可接受。 　　C. 底部槽鋼
　　襯板和焊縫光滑，未觀察到腐蝕跡象。就更換熱管及換熱管與管板之間的焊縫上一樣，管板上覆蓋有各種不同顏色的氧化皮[圖16]。未觀察到氧化皮形式的腐蝕。氧化皮出現(xiàn)在管板下方50mm的位置。結(jié)果表明，色差源自頂部臨時(shí)分布器系統(tǒng)中所用材料腐蝕引起的腐蝕產(chǎn)物。 　　管端和橫截面光滑且無腐蝕跡象。換熱管與管板之間的焊縫平滑且未觀察到腐蝕。ESW堆焊管板未觀察到腐蝕。
　　儲槽的襯里，焊縫及出口管道平滑[圖17]。 　　管板和襯里之間的封頭過渡區(qū)半徑平滑[用AGTAW-HV焊接][圖18]。 　　底部人孔蓋底側(cè)的襯里平滑，焊縫無腐蝕。排放管用結(jié)晶尿素封住。人孔法蘭面狀況良好[圖19]。 5.2 壁厚測量
　　A 熱交換器RFT壁厚測量
　　表1概述了第三次和最后一次壁厚測量。850天運(yùn)行周期后，Safurex®管的平均腐蝕速率為0.08 mm/y。測量到的最薄壁在換熱管底部，估計(jì)該位置最熱。
　　B 襯里厚度測量
　　頂部槽鋼、頂部和底部半球形封頭的襯里、人孔、噴嘴和儲槽區(qū)域的厚度測量用超聲波探頭隨機(jī)抽查，精確到± 0.1 mm�？傊�，測得的隨機(jī)厚度等于或大于制造的公稱厚度。值得注意的是在有大吊環(huán)的頂蓋上進(jìn)行了測量。如上所述，未觀察到冷凝腐蝕跡象，且最初檢測到的襯里厚度與最后檢查階段相比并無不同。因此，對于頂部槽鋼和底部槽鋼中任何位置的襯板，都無法確定其腐蝕速率。
6  結(jié)  論
　　發(fā)現(xiàn)斯那姆尿素工藝中連續(xù)運(yùn)行周期達(dá)850天的高壓Safurex®汽提塔狀況良好。在槽形通道，管嘴或人孔襯里處均未觀察到腐蝕。從裝置開車至2006年11月的第三次和最后檢查，運(yùn)行中的熱交換器換熱管的平均腐蝕速率為0.08 mm/y。
　　在裝置重新投入運(yùn)行前，將進(jìn)行部分較小整修工作。也就是說，突出管端需要整修以移除聚集的較小氧化皮，以使斯塔米卡邦液體分配器換熱管達(dá)到規(guī)定的密封要求。同樣，焊接到頂部管板以容納隔離桿的螺母的螺紋粗糙[被氧化皮覆蓋]且需要重新車縲紋以備將來使用。
　　熱交換器換熱管上的氧化皮厚度小于0.5mm。55根換熱管上，氧化皮厚度最大為1mm。
　　頂部槽鋼圓柱段的襯板處需要進(jìn)行較小修復(fù)[焊接咬邊]。這些較小修復(fù)是由原始裝配問題而非運(yùn)轉(zhuǎn)使用引起的。對于壓力保持部件，上述修復(fù)區(qū)域不存在襯里破裂或出現(xiàn)滲漏通道的危險(xiǎn)。
　　相似條件下運(yùn)行的高壓Safurex®汽提塔的剩余使用壽命為大約25年凈運(yùn)行周期[根據(jù)平均腐蝕速率0.08 mm/y、換熱管最小允許壁厚以0.70 mm計(jì)算]。
　　Safurex®高壓汽提塔在更具腐蝕性且更高溫度的運(yùn)行條件下運(yùn)行支持了Safurex®是最佳合金并具有優(yōu)異的耐尿素溶液環(huán)境性能這一觀點(diǎn)。Safurex®為斯塔米卡邦設(shè)計(jì)的尿素裝置的高壓工段提供了最佳的施工材料選擇，同時(shí)也是斯那姆設(shè)計(jì)尿素裝置的最佳材料選擇。來自尿素經(jīng)營中Safurex®其他應(yīng)用的反饋進(jìn)一步支持了本論文概述的使用性能的信息。
　　雖然在總共850天的運(yùn)行周期內(nèi)將空氣送入了底部槽鋼，但認(rèn)為使用Safurex®時(shí)無需使用氧氣。盡管在上一次188天的連續(xù)運(yùn)行周期內(nèi)曾試圖縮減輔助空氣源，但仍無法證實(shí)裝置可在不需要氧氣的條件下運(yùn)行。操作人員不希望采用堵塞輔助氣源的方法進(jìn)行該實(shí)時(shí)試驗(yàn)。
　　與更昂貴的合金如鈦和鋯相比，Safurex®是一種經(jīng)濟(jì)的在尿素裝置中使用的合金選擇；其提供了更容易的制造選擇，其額外的好處是：修復(fù)方便，且日常條件下無需借助訓(xùn)練有素的專家。
　　所述高壓Safurex®汽提塔已經(jīng)于2007年第三季度運(yùn)回加拿大并安裝在另一斯那姆尿素設(shè)計(jì)裝置中。
　　鳴謝
　　作者感謝阿格瑞姆公司和斯塔米卡邦在將高壓Safurex置入斯那姆尿素運(yùn)行項(xiàng)目中的全力支持以及他們對于本論文的支持。此外，作者還感謝Har Jochems、Joost Roes和Alex Scheerder在檢查方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平及他們克服擺在其面前的苛刻工作進(jìn)度障礙的能力。