董紅微

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

尿素裝置高壓系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)運行時，其處于高溫高壓和氨基甲酸銨溶液強腐蝕環(huán)境中，其運行狀況對尿素裝置的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。從高壓設(shè)備的安全性、耐腐蝕性和經(jīng)濟性多方面考慮，該類設(shè)備殼體通常采用單層或多層碳鋼內(nèi)襯耐腐蝕性材料(如316LMod，X2CrNiMo25-22-2，SAFUREX等)的結(jié)構(gòu)。設(shè)備運行期間，一旦內(nèi)襯局部發(fā)生破裂，應(yīng)能夠通過檢漏系統(tǒng)確定問題區(qū)域并予以處理，避免腐蝕性介質(zhì)泄漏接觸承壓碳鋼殼體，致其損壞。高壓設(shè)備襯里檢漏系統(tǒng)由檢漏槽、檢漏孔和外部檢測系統(tǒng)構(gòu)成，本文主要介紹檢漏系統(tǒng)中所涉及的設(shè)備本體上的檢漏槽和檢漏孔。

1 檢漏系統(tǒng)設(shè)計理念

基于不同的尿素工藝方法，檢漏系統(tǒng)設(shè)計主要有兩種設(shè)計理念。一是基于CO2汽提法工藝提出，在常壓下、溫度大于153℃的環(huán)境中，甲銨能迅速分解成氨和CO2氣體，這些氣體不會對碳鋼產(chǎn)生嚴重腐蝕，檢漏槽及檢漏孔可不采用耐甲銨腐蝕的材料。檢漏系統(tǒng)循環(huán)氣體宜采用非腐蝕性氣體，例如，某項目以氮氣作為循環(huán)氣體檢漏，取得了良好的運行效果[1]。循環(huán)氣體若采用蒸汽，其易冷凝，形成的氨水等會對設(shè)備碳鋼殼體造成腐蝕。二是基于氨汽提法工藝提出，襯里如有泄漏，甲銨可部分分解產(chǎn)生氨氣，未分解的甲銨在通道中腐蝕承壓殼體，因此，檢漏槽、檢漏孔(管)以及所有可能與滲透出來的甲銨溶液接觸的區(qū)域都必須設(shè)置不銹鋼襯里或堆焊不銹鋼耐腐蝕層，以避免介質(zhì)泄漏對承壓殼體造成腐蝕。

無論哪種設(shè)計理念，檢漏系統(tǒng)的關(guān)鍵是保證有一個暢通的通道將泄漏氣體排至檢漏操作平臺或檢測系統(tǒng)中[2]?；谀壳皯?yīng)用較多的襯里施工工藝方法(機械撐緊、熱套法、包扎法等)，襯里層與殼體之間可能有一定的間隙存在，但是設(shè)備在高溫、高壓工作狀態(tài)下，間隙會縮小，甚至局部完全貼合，并不能保證有一個完整的通道排出氣體，因此，檢漏槽的設(shè)置是非常必要的。為保證泄漏介質(zhì)在最短時間內(nèi)進入檢漏系統(tǒng)，檢漏槽應(yīng)靠近最易出現(xiàn)泄漏的位置，一般情況下，襯里板質(zhì)量是有保證的，而其焊縫最易出現(xiàn)泄漏，因此檢漏槽應(yīng)盡量靠近襯里縱、環(huán)焊縫處。例如，某項目的尿素合成塔在現(xiàn)場試運行期間檢測到襯里存在氣體泄漏，經(jīng)過制造廠現(xiàn)場逐一排查，發(fā)現(xiàn)襯里焊縫焊接缺陷，予以修補，避免了后期嚴重事故的發(fā)生。如遇接管等部件使得襯里增加焊縫，應(yīng)開設(shè)局部檢漏槽，并與主體檢漏網(wǎng)絡(luò)連通。另外，為了避免檢漏通道過長對檢漏系統(tǒng)的靈敏性造成影響，需適當(dāng)設(shè)置檢漏孔個數(shù)，縮短泄漏介質(zhì)在通道內(nèi)停留的時間。

2 檢漏槽結(jié)構(gòu)

檢漏槽是泄漏介質(zhì)氣體的通道，每塊襯里連接焊縫處均開設(shè)，所以所需開槽的位置分布較廣。如襯里分塊多，焊縫數(shù)量多，存在泄漏的風(fēng)險隨之增大，開槽增多對設(shè)備殼體的強度也是不利的；襯里分塊少，焊縫數(shù)量少，可以有效降低泄漏風(fēng)險，同時，開槽減少可降低對基層殼體強度的削弱。

檢漏槽通常有兩種形式：圓弧形開槽(見圖1)，加工簡便，對基材損傷小，考慮襯里在高壓作用下可能出現(xiàn)微小變形，影響檢漏槽的通暢性，其弦長不宜取值過大，一般不超過10mm；方形倒圓角開槽(見圖2)，其流通面積明顯增大，不易堵塞，但是加工較為復(fù)雜，倒角R值較小，殼體在長期的高壓狀態(tài)下易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖1 圓弧形開槽

圖2 方形倒圓角開槽

兩種形式的檢漏槽設(shè)計尺寸都不大，但由于制造廠技術(shù)水平參差不齊，加工尺寸精度不能得到保證，如果開設(shè)在參與強度計算的殼體上，開槽深度及偏差均應(yīng)在計算中予以考慮，以保證設(shè)備的本質(zhì)安全。例如，開槽深度設(shè)計尺寸為2.5mm，而制造廠最終加工數(shù)據(jù)只能控制在2.2～3.1mm之間，必須重新核算實際最大開槽深度的殼體強度是否滿足要求。

3 檢漏孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)高壓殼體結(jié)構(gòu)和襯里加工工藝的不同，檢漏孔結(jié)構(gòu)存在幾種不同的型式。

3.1 單層筒體檢漏孔

高壓設(shè)備由于尺寸較小或特殊結(jié)構(gòu)(例如凸緣人孔)，承壓殼體采用單層整體結(jié)構(gòu)，這時檢漏孔結(jié)構(gòu)相對簡單，通常都是在內(nèi)部襯里施工前鉆出檢漏孔(見圖3)或鉆孔，并焊接檢漏管(見圖4)。當(dāng)基于第一種設(shè)計理念，考慮泄漏介質(zhì)不會對設(shè)備殼體造成嚴重腐蝕，制造時只需在檢漏槽的設(shè)定位置上鉆出通孔，并在外側(cè)加工出錐形連接螺紋，與外部檢測系統(tǒng)連接。當(dāng)基于第二種設(shè)計理念，考慮泄漏出來的甲銨溶液有部分殘留，采用圖4所示的插管結(jié)構(gòu)，可通過檢漏管的材質(zhì)保證泄漏介質(zhì)接觸區(qū)域都是耐腐蝕材料。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)

圖4 插管結(jié)構(gòu)

3.2 多層筒體檢漏孔

(1)以不銹鋼襯里做內(nèi)筒(+盲層)或襯里筒+碳鋼內(nèi)筒的多層包扎式筒體檢漏孔。這兩種筒體結(jié)構(gòu)都是在盲層或碳鋼內(nèi)筒上加工檢漏槽后，與襯里組合完成后分段進行層板包扎，最后組焊筒節(jié)。因筒節(jié)分段包扎，檢漏孔定位工作相對便捷。為保證不銹鋼襯里的完整性，多層包扎式筒體可采用堆焊鉆孔結(jié)構(gòu)(見圖5)，兩種筒體結(jié)構(gòu)的檢漏孔加工過程基本相同，都是襯里內(nèi)表面與層板外表面同時標(biāo)記，包扎完成后從層板外側(cè)向內(nèi)鉆孔，填焊鉆孔，最后加工直徑8mm檢漏孔和連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠確保多層層板完全用堆焊封住，不會有氣體泄漏進入層板之間，缺點就是多層殼體鉆孔較大(一般直徑50mm)，填焊難度大，較大的堆焊工作量可能會造成因熱量集中產(chǎn)生裂紋。因此，筒體較厚時，為減少堆焊工作量，避免熱量集中的負面影響，可分兩次堆焊或采用插管加部分堆焊結(jié)構(gòu)。無論哪種類型的堆焊結(jié)構(gòu)，對堆焊質(zhì)量的要求高，必須杜絕檢漏孔與層板間隙相通，避免泄漏物竄入筒體層間，制造過程中需滿足層板焊接的各項要求[3]。為確保堆焊質(zhì)量，可在筒節(jié)組焊前進行一次通氣試驗，確認無串氣發(fā)生后，再組焊相鄰?fù)补?jié)。

圖5 堆焊鉆孔結(jié)構(gòu)

另外，這兩種筒體結(jié)構(gòu)中，檢漏槽分別開設(shè)在盲層或碳鋼內(nèi)筒上。盲層不計強度，殼體強度計算時不予考慮開槽深度；碳鋼內(nèi)筒參與強度計算，受壓殼體計算中應(yīng)考慮開槽的分布、深度及偏差的影響。

如基于第二種設(shè)計理念，考慮到泄漏介質(zhì)的腐蝕，檢漏孔結(jié)構(gòu)中的碗型墊、檢漏管及堆焊材料均采用耐腐蝕材質(zhì)。

(2)碳鋼內(nèi)筒和襯里組合筒體的多層整體夾緊式筒體檢漏孔。傳統(tǒng)多層包扎容器焊縫數(shù)量多，深環(huán)縫易存在焊接缺陷，且無法進行消除應(yīng)力熱處理和超聲檢測。國家質(zhì)檢特函(2005)689號文《關(guān)于進一步加強尿素合成塔生產(chǎn)使用檢驗工作的通知》中推廣使用無深環(huán)縫的包扎結(jié)構(gòu)。碳鋼內(nèi)筒和襯里組合筒體的多層整體夾緊式筒體應(yīng)用已經(jīng)較成熟，其特點就是內(nèi)筒與襯里套合后，組焊成帶襯里的組合內(nèi)筒，再進行層板包扎。該筒體結(jié)構(gòu)碳鋼層板制造為整體夾緊，若采用堆焊鉆孔結(jié)構(gòu)，檢漏孔開設(shè)位置的定位難度增大，其他程序相同。

為解決整體筒體制造檢漏孔定位難的問題，采用插入管焊接結(jié)構(gòu)(見圖6)可有效簡化定位程序。該結(jié)構(gòu)檢漏孔可只在不銹鋼襯里內(nèi)表面標(biāo)記，筒體完成包扎后，由內(nèi)向外鉆孔，去除開孔周邊圓形襯里板，將檢漏管組裝焊接后，確認無聯(lián)通缺陷，再焊接圓形襯里墊板和蓋板。但該結(jié)構(gòu)存在襯里封焊部位多、完整性不強的缺點。實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要做局部改善，如插管與筒體為異種材質(zhì)焊接，可將內(nèi)筒插管焊接坡口處及墊板焊縫處設(shè)有小范圍過渡層堆焊，以保證焊接性能和質(zhì)量。

圖6 插入管焊接結(jié)構(gòu)

(3)碳鋼內(nèi)筒組合筒體的多層整體包扎檢漏孔。該筒體結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)多層整體包扎筒體基礎(chǔ)上，加以機械撐緊襯里方法發(fā)展起來，其特點就是在碳鋼組合筒體包扎完成后鋪設(shè)襯里。襯里最后貼襯的制造工序，使得內(nèi)筒開設(shè)的檢漏槽完全可見，不存在襯里和層板的檢漏孔定位問題。針對該筒體結(jié)構(gòu)的制造特點，可采用圖7所示的檢漏孔結(jié)構(gòu)，只需在碳鋼組合筒體整體包扎完成后，在檢漏槽設(shè)定的位置由內(nèi)向外鉆孔，再將檢漏管與內(nèi)筒焊接。為避免檢漏孔與層板間隙相通，必須檢查檢漏管與內(nèi)筒的焊接氣密性，最后進行襯里焊接施工。

該結(jié)構(gòu)避免了圖6所示結(jié)構(gòu)中襯里的開孔和封焊，同時也可根據(jù)設(shè)計需要，選擇內(nèi)筒焊接坡口的過渡層堆焊。

圖7 碳鋼內(nèi)筒組合筒體的插管式檢漏孔

4 結(jié)語

為保證尿素裝置高壓設(shè)備運行與制造的安全質(zhì)量，在檢漏結(jié)構(gòu)設(shè)計中需考慮如下幾個方面：①襯里板盡量做到板幅大、焊縫少、減少開設(shè)檢漏槽；②設(shè)計中應(yīng)考慮檢漏槽開設(shè)對受壓殼體強度的影響；③結(jié)合不同的殼體結(jié)構(gòu)特點和制造過程，選擇適當(dāng)?shù)臋z漏孔形式；④檢漏孔(管)的焊接保證質(zhì)量，嚴禁操作介質(zhì)竄入筒體層板間隙。