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（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029   2.新疆宜化化工有限公司 昌吉 831100）

摘 要：本文對(duì)三聚氰胺裝置進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析了裝置的主要損傷機(jī)理，計(jì)算了裝置內(nèi)壓力容器、壓力管道的風(fēng)險(xiǎn)。RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果能較準(zhǔn)確的反映出該裝置的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)水平，可為三聚氰胺裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、檢驗(yàn)檢測(cè)、隱患排查、設(shè)備分級(jí)管理等工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，三聚氰胺，分級(jí)管理

引 言

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)（Risk Based Inspection——RBI）是在追求特種設(shè)備安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的一種優(yōu)化檢驗(yàn)方案的方法。目前，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)石油、化工等多類生產(chǎn)企業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，設(shè)備的失效風(fēng)險(xiǎn)不是平均分配的，其中約20%的設(shè)備承擔(dān)了大約80%的風(fēng)險(xiǎn)^[1]。以損傷模式識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為基礎(chǔ)，可采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)、在線檢測(cè)、剩余壽命預(yù)測(cè)等技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定期檢驗(yàn)，同時(shí)可以合理配置檢驗(yàn)和維護(hù)資源，對(duì)于提高煉化企業(yè)的設(shè)備管理水平、保障煉化企業(yè)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有重要的意義^[2]。

本文對(duì)三聚氰胺裝置開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，給出了典型三聚氰胺裝置的容器和管道的主要失效機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)大致分布水平，最后對(duì)裝置的基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及管理的新模式進(jìn)行了探討。

1 三聚氰胺裝置的基本情況

在新疆宜化化工有限公司的三聚氰胺裝置中開(kāi)展示范應(yīng)用工作。在三聚氰胺反應(yīng)器中，熔融尿素在380℃和8.0MPa的條件下反應(yīng)生成熔融三聚氰胺。

制備三聚氰胺的整個(gè)反應(yīng)如下所示：

6CO（NH₂）₂ —→ C₃N₆H₆ + 6NH₃ + 3CO₂

根據(jù)新疆宜化提供的壓力容器、壓力管道臺(tái)賬，本次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估范圍為三聚氰胺裝置內(nèi)在用的壓力容器96臺(tái)，壓力管道473條。

三聚氰胺生產(chǎn)工藝分為以下幾個(gè)部分。

（1）三聚氰胺合成

濃度為99.8%的熔融尿素通過(guò)升壓泵被送到反應(yīng)器給料泵，加壓至8.0MPa與加熱過(guò)的380℃氨混合后進(jìn)入三聚氰胺反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)尿素直接轉(zhuǎn)化為三聚氰胺，反應(yīng)器的液體反應(yīng)產(chǎn)物利用重力流入后置反應(yīng)器，反應(yīng)器反應(yīng)所需的熱量由熔鹽提供。

（2）急冷與汽提

急冷的目的是把三聚氰胺反應(yīng)器頂部出來(lái)的高溫物料快速冷卻、稀釋溶解，制成水溶液，同時(shí)把反應(yīng)器中生成的氨和二氧化碳?xì)怏w以及過(guò)量的氨以急冷尾氣的形式從溶液中分離出來(lái)，然后冷凝回收重新生成尿素。物料從急冷塔進(jìn)入二氧化碳汽提塔，壓力從2.5MPa突然降至0.8MPa，溶液中大量的氨和二氧化碳由于相應(yīng)的氣相壓力較低而閃蒸出來(lái)，溫度也從160℃降至135℃左右；其次，為了將溶液中的剩余的氨和二氧化碳進(jìn)一步分離出來(lái)，通過(guò)底部再沸器蒸汽的加熱，將溶液的溫度從135℃提高至170℃，溶液中的氨和二氧化碳被加熱分離出來(lái)。

（3）尾氣系統(tǒng)

從急冷塔頂部出來(lái)的尾氣出來(lái)送至尾氣分離器中并分離成汽、液兩相兩股物料。從尾氣分離器分離出來(lái)的液相由提濃泵送至提濃塔進(jìn)行提濃后，甲銨氣相送至回收尿素，液相回收至廢水汽提塔。

（4）三胺溶解、凈化

來(lái)自后置反應(yīng)器底部的熔融三聚氰胺進(jìn)入三聚氰胺溶解器，利用富氨水進(jìn)行冷卻溶解。從溶解器送來(lái)的三聚氰胺溶液，在溫度170℃和氨濃度14.6%的條件下，依次經(jīng)過(guò)氨解塔、在線過(guò)濾器、炭床反應(yīng)器、炭過(guò)濾器，脫出固體雜質(zhì)和吸附脫色。

（5）氨汽提與精餾

離心母液送到氨汽提塔中，將溶液中大部分的氨和二氧化碳汽提出來(lái)，在氨塔中將氣相氨進(jìn)一步精餾加以回收送至溶解器水緩沖槽配制氨水，液相產(chǎn)生的稀氨水送到急冷塔作為急冷水。從氨汽提塔底部出來(lái)的溶液，經(jīng)閃蒸槽送到廢水分解塔，在8.0MPa、280℃條件下溶液中的高聚物分解為氨和二氧化碳，氣相進(jìn)入廢水汽提塔，液相回到循環(huán)液槽循環(huán)使用。

（6）結(jié)晶與離心干燥

來(lái)自凈化的三聚氰胺溶液，在50kPa、45℃條件下，形成三聚氰胺料漿，進(jìn)入料漿槽，至離心分離經(jīng)過(guò)干燥最終得到合格的產(chǎn)品送至包裝。

三聚氰胺裝置流程圖如下圖1。

圖1 三聚氰胺裝置流程圖

2 三聚氰胺裝置主要損傷機(jī)理

2.1 甲銨腐蝕

三聚氰胺裝置中最主要的損傷模式為甲銨液腐蝕，甲銨腐蝕根據(jù)其受氧氣保護(hù)的不同程度可以分為鈍化腐蝕、活化腐蝕和過(guò)氧腐蝕。

Fe —→ Fe²⁺ + 2e

NH₄CO₂NH₂ —→ NH₄⁺ + CO₂NH^—

O₂ +2NH₄⁺ + 2Fe —→ 2Fe⁺ + 2OH^— + 2NH₃

三聚氰胺裝置中尾氣系統(tǒng)中易發(fā)生甲銨腐蝕，通常設(shè)備及管道材質(zhì)須升級(jí)至316L，316mod等才可避免甲銨腐蝕的影響。

2.2 氨應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

碳鋼和低合金鋼在無(wú)水液氨中易發(fā)生此類應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2NH₄ + CO₂ —→ NH₄CO₂NH₂

NH₄CO₂NH₂ —→ NH₄⁺ + CO₂NH^—

O₂ +2NH₄⁺ + 2Fe —→ 2Fe⁺ + 2OH^— + 2NH₃

反應(yīng)中的氨基甲酸銨對(duì)碳鋼有強(qiáng)烈的腐蝕作用，在焊縫處或其他殘余應(yīng)力較高的部位，可造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。三聚氰胺的原料進(jìn)料段等部位易發(fā)生此類損傷。

2.3 二氧化碳腐蝕

金屬在潮濕的二氧化碳環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。

H₂O + CO₂ + Fe —→ FeCO₃ + H₂

在氣相冷凝部位，紊流和液體沖擊區(qū)域，管道焊縫根部等部位會(huì)發(fā)生此類腐蝕。裝置中CO₂作為主反應(yīng)的生成物，存在不可避免且濃度較大。通常也會(huì)伴隨碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生，也是形成甲銨液，造成甲銨腐蝕的主要原因之一。

2.4 其他損傷

在化工裝置中較普遍存在的其他損傷，如大氣腐蝕、保溫層下腐蝕，不銹鋼保溫層下氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，敏化-晶間腐蝕，沖刷、沖蝕等，在三聚氰胺裝置中同樣存在，在此不多做贅述。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

設(shè)備單元的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于兩個(gè)方面：一方面是評(píng)價(jià)單元的失效可能性；另一方面是評(píng)價(jià)單元的失效后果。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式如下式所示^[4]。

其中，R(t)為風(fēng)險(xiǎn)；Pf (t)為失效可能性；C(t)為失效后果。

為了直觀的顯示整個(gè)裝置的風(fēng)險(xiǎn)水平，以失效后果等級(jí)（A~E）為橫軸，以失效可能性等級(jí)（1~5）為縱軸繪制風(fēng)險(xiǎn)矩陣。將設(shè)備單元繪入風(fēng)險(xiǎn)矩陣當(dāng)中，則更高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備或管道單元趨向于分布在矩陣的右上方。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣不同區(qū)域的顏色，得到設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（即高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)）。

裝置中核心流程包括在用壓力容器98臺(tái)，首先對(duì)該98臺(tái)壓力容器開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，計(jì)算出容器的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，如下圖2所示。計(jì)算過(guò)程中，每臺(tái)壓力容器僅得到一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果，例如換熱器殼程、管程失效可能性不同的設(shè)備，取各部件計(jì)算結(jié)果的最高值。

圖2 三聚氰胺裝置壓力容器風(fēng)險(xiǎn)矩陣

結(jié)果顯示，其中低風(fēng)險(xiǎn)單元65個(gè)，占總數(shù)的66.33%；中風(fēng)險(xiǎn)單元23個(gè)，占總數(shù)量的23.47%；中高風(fēng)險(xiǎn)單元10個(gè)，占總數(shù)量的10.20%，該裝置中無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)容器。

裝置中核心流程包括在用壓力管道473條，首先對(duì)該473條管道開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，計(jì)算出容器的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，如下圖3所示。

圖3 三聚氰胺裝置壓力管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣

結(jié)果顯示，其中低風(fēng)險(xiǎn)單元365個(gè)，占總數(shù)的77.17%；中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備43個(gè)，占總數(shù)量的9.09%；中高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備65個(gè)，占總數(shù)量的13.74%，該裝置中無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)管道。

4 分析討論

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可知，裝置中較高風(fēng)險(xiǎn)集中在尾氣回收區(qū)域的壓力容器1#尾氣急冷塔（位號(hào)：C1108），2#尾氣急冷塔（位號(hào)：C1108），尾氣分離器（位號(hào)：V0129），以及連接三臺(tái)容器的工業(yè)管道。該區(qū)域介質(zhì)中含有約45.9%的氨，33.9%的二氧化碳，介質(zhì)對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)企業(yè)走訪調(diào)查可知，該部位管道在使用中頻繁出現(xiàn)泄漏，腐蝕減薄速率較高。該三臺(tái)容器本體也均存在明顯的腐蝕減薄，兩臺(tái)尾氣急冷塔有底部腐蝕貼板維修的記錄。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行數(shù)字掃描，結(jié)合據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，確定監(jiān)測(cè)部位安裝腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕數(shù)據(jù)。探頭安裝部位如表1。

表1 尾氣工段監(jiān)測(cè)部位

圖4 尾氣工段監(jiān)測(cè)部位示意

5 結(jié)論

本文對(duì)三聚氰胺裝置開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，找到了裝置中易腐蝕部位，并以此提出來(lái)裝置關(guān)鍵設(shè)備的降險(xiǎn)建議，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裝置內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測(cè)探頭安裝。此方法可為三聚氰胺裝置的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和降低裝置風(fēng)險(xiǎn)提供一定的參考，并可作為指導(dǎo)裝置檢驗(yàn)及日常維護(hù)、管理工作的重要依據(jù)。

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第一作者介紹：袁軍（1986-），男，2012年1月北京航空航天大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)于中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院工作，從事壓力容器、壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、失效分析、安全評(píng)定、腐蝕調(diào)查等工作。