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三聚氰胺装置风险评估
来源:中国特种设备检测研究院 北京 100029 | 作者:袁军、宋策、程欣、潘伟 | 发布时间: 2024-04-09 | 90 次浏览 | 分享到:

(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029   2.新疆宜化化工有限公司 昌吉 831100)


摘 要:本文对三聚氰胺装置进行了风险评估,分析了装置的主要损伤机理,计算了装置内压力容器、压力管道的风险。RBI风险评估结果能较准确的反映出该装置的实际风险水平,可为三聚氰胺装置设备风险识别、检验检测、隐患排查、设备分级管理等工作提供依据。

关键词:风险评估,三聚氰胺,分级管理


引 言

基于风险的检验技术(Risk Based Inspection——RBI)是在追求特种设备安全性与经济性统一的基础上建立的一种优化检验方案的方法。目前,该项技术在国内石油、化工等多类生产企业已得到了广泛的应用。大量的统计数据表明,设备的失效风险不是平均分配的,其中约20%的设备承担了大约80%的风险[1]。以损伤模式识别和风险评估为基础,可采用基于风险的检验、在线检测、剩余寿命预测等技术代替传统的定期检验,同时可以合理配置检验和维护资源,对于提高炼化企业的设备管理水平、保障炼化企业长周期安全运行具有重要的意义[2]

本文对三聚氰胺装置开展风险评估工作,给出了典型三聚氰胺装置的容器和管道的主要失效机理和风险大致分布水平,最后对装置的基于风险的检验及管理的新模式进行了探讨。


1 三聚氰胺装置的基本情况

在新疆宜化化工有限公司的三聚氰胺装置中开展示范应用工作。在三聚氰胺反应器中,熔融尿素在380℃和8.0MPa的条件下反应生成熔融三聚氰胺。

制备三聚氰胺的整个反应如下所示:

6CO(NH22 —→ C3N6H6 + 6NH3 + 3CO2

根据新疆宜化提供的压力容器、压力管道台账,本次风险评估范围为三聚氰胺装置内在用的压力容器96台,压力管道473条。

三聚氰胺生产工艺分为以下几个部分。

(1)三聚氰胺合成

浓度为99.8%的熔融尿素通过升压泵被送到反应器给料泵,加压至8.0MPa与加热过的380℃氨混合后进入三聚氰胺反应器,在反应器内尿素直接转化为三聚氰胺,反应器的液体反应产物利用重力流入后置反应器,反应器反应所需的热量由熔盐提供。

(2)急冷与汽提

急冷的目的是把三聚氰胺反应器顶部出来的高温物料快速冷却、稀释溶解,制成水溶液,同时把反应器中生成的氨和二氧化碳气体以及过量的氨以急冷尾气的形式从溶液中分离出来,然后冷凝回收重新生成尿素。物料从急冷塔进入二氧化碳汽提塔,压力从2.5MPa突然降至0.8MPa,溶液中大量的氨和二氧化碳由于相应的气相压力较低而闪蒸出来,温度也从160℃降至135℃左右;其次,为了将溶液中的剩余的氨和二氧化碳进一步分离出来,通过底部再沸器蒸汽的加热,将溶液的温度从135℃提高至170℃,溶液中的氨和二氧化碳被加热分离出来。

(3)尾气系统

从急冷塔顶部出来的尾气出来送至尾气分离器中并分离成汽、液两相两股物料。从尾气分离器分离出来的液相由提浓泵送至提浓塔进行提浓后,甲铵气相送至回收尿素,液相回收至废水汽提塔。

(4)三胺溶解、净化

来自后置反应器底部的熔融三聚氰胺进入三聚氰胺溶解器,利用富氨水进行冷却溶解。从溶解器送来的三聚氰胺溶液,在温度170℃和氨浓度14.6%的条件下,依次经过氨解塔、在线过滤器、炭床反应器、炭过滤器,脱出固体杂质和吸附脱色。

(5)氨汽提与精馏

离心母液送到氨汽提塔中,将溶液中大部分的氨和二氧化碳汽提出来,在氨塔中将气相氨进一步精馏加以回收送至溶解器水缓冲槽配制氨水,液相产生的稀氨水送到急冷塔作为急冷水。从氨汽提塔底部出来的溶液,经闪蒸槽送到废水分解塔,在8.0MPa、280℃条件下溶液中的高聚物分解为氨和二氧化碳,气相进入废水汽提塔,液相回到循环液槽循环使用。

(6)结晶与离心干燥

来自净化的三聚氰胺溶液,在50kPa、45℃条件下,形成三聚氰胺料浆,进入料浆槽,至离心分离经过干燥最终得到合格的产品送至包装。

三聚氰胺装置流程图如下图1。

图1 三聚氰胺装置流程图


2 三聚氰胺装置主要损伤机理

2.1 甲铵腐蚀

三聚氰胺装置中最主要的损伤模式为甲铵液腐蚀,甲铵腐蚀根据其受氧气保护的不同程度可以分为钝化腐蚀、活化腐蚀和过氧腐蚀。

Fe —→ Fe2+ + 2e

NH4CO2NH2 —→ NH4+ + CO2NH

O2 +2NH4+ + 2Fe —→ 2Fe+ + 2OH + 2NH3

三聚氰胺装置中尾气系统中易发生甲铵腐蚀,通常设备及管道材质须升级至316L,316mod等才可避免甲铵腐蚀的影响。

2.2 氨应力腐蚀开裂

碳钢和低合金钢在无水液氨中易发生此类应力腐蚀开裂。

2NH4 + CO2 —→ NH4CO2NH2

NH4CO2NH2 —→ NH4+ + CO2NH

O2 +2NH4+ + 2Fe —→ 2Fe+ + 2OH + 2NH3

反应中的氨基甲酸铵对碳钢有强烈的腐蚀作用,在焊缝处或其他残余应力较高的部位,可造成应力腐蚀开裂。三聚氰胺的原料进料段等部位易发生此类损伤。

2.3 二氧化碳腐蚀

金属在潮湿的二氧化碳环境中发生的腐蚀。

H2O + CO2 + Fe —→ FeCO3 + H2

在气相冷凝部位,紊流和液体冲击区域,管道焊缝根部等部位会发生此类腐蚀。装置中CO2作为主反应的生成物,存在不可避免且浓度较大。通常也会伴随碳酸盐应力腐蚀开裂发生,也是形成甲铵液,造成甲铵腐蚀的主要原因之一。

2.4 其他损伤

在化工装置中较普遍存在的其他损伤,如大气腐蚀、保温层下腐蚀,不锈钢保温层下氯离子应力腐蚀开裂,敏化-晶间腐蚀,冲刷、冲蚀等,在三聚氰胺装置中同样存在,在此不多做赘述。


3 风险评估

设备单元的风险来自于两个方面:一方面是评价单元的失效可能性;另一方面是评价单元的失效后果。风险计算公式如下式所示[4]

其中,R(t)为风险;Pf (t)为失效可能性;C(t)为失效后果。

为了直观的显示整个装置的风险水平,以失效后果等级(A~E)为横轴,以失效可能性等级(1~5)为纵轴绘制风险矩阵。将设备单元绘入风险矩阵当中,则更高风险设备或管道单元趋向于分布在矩阵的右上方。通过风险矩阵不同区域的颜色,得到设备的风险等级(即高风险、中高风险、中等风险和低风险)。

装置中核心流程包括在用压力容器98台,首先对该98台压力容器开展风险评估工作,计算出容器的风险矩阵,如下图2所示。计算过程中,每台压力容器仅得到一个风险计算结果,例如换热器壳程、管程失效可能性不同的设备,取各部件计算结果的最高值。


图2 三聚氰胺装置压力容器风险矩阵

结果显示,其中低风险单元65个,占总数的66.33%;中风险单元23个,占总数量的23.47%;中高风险单元10个,占总数量的10.20%,该装置中无高风险容器。

装置中核心流程包括在用压力管道473条,首先对该473条管道开展风险评估工作,计算出容器的风险矩阵,如下图3所示。


图3 三聚氰胺装置压力管道风险矩阵

结果显示,其中低风险单元365个,占总数的77.17%;中风险设备43个,占总数量的9.09%;中高风险设备65个,占总数量的13.74%,该装置中无高风险管道。


4 分析讨论

通过风险评估结果可知,装置中较高风险集中在尾气回收区域的压力容器1#尾气急冷塔(位号:C1108),2#尾气急冷塔(位号:C1108),尾气分离器(位号:V0129),以及连接三台容器的工业管道。该区域介质中含有约45.9%的氨,33.9%的二氧化碳,介质对设备腐蚀严重。

通过对企业走访调查可知,该部位管道在使用中频繁出现泄漏,腐蚀减薄速率较高。该三台容器本体也均存在明显的腐蚀减薄,两台尾气急冷塔有底部腐蚀贴板维修的记录。

对现场高风险部位进行数字扫描,结合据风险评估结果,确定监测部位安装腐蚀监测探头,实时监测腐蚀数据。探头安装部位如表1。

表1 尾气工段监测部位


图4 尾气工段监测部位示意


5 结论

本文对三聚氰胺装置开展了风险评估工作,找到了装置中易腐蚀部位,并以此提出来装置关键设备的降险建议,指导现场对装置内高风险部位进行了腐蚀监测探头安装。此方法可为三聚氰胺装置的风险识别和降低装置风险提供一定的参考,并可作为指导装置检验及日常维护、管理工作的重要依据。


参考文献

[1] 陈钢,贾国栋,谢铁军,左尚志,孙亮. 关于完善我国压力容器压力管道定期检验规范体系的思考[J]. 压力容器.2006,(8):40-44.

[2] 罗广辉,宋晓江,周敏,邵珊珊,钱晓龙,谢国山. 浅谈炼化企业基于风险的检验管理模式及应用[J]. 中国特种设备安全.2015,31卷12期:77-80.

[3] GB/T 30579-2022《承压设备损伤模式识别》[S].

[4] GB/T 26610-2022 《承压设备系统基于风险的检验实施导则》[S].

[5] 牛刚. 三聚氰胺生产装置氨冷凝回收系统风险分析与量化评估[J]. 煤化工. 2022,50(4):26-28, 45. 

[6] 宋文明,郭强,柳楠,李玉阁,张玉福,侍吉清. 特种设备基于风险的管理[J]. 石油化工设备技术, 2022,43(1):63-66. 


第一作者介绍:袁军(1986-),男,2012年1月北京航空航天大学硕士研究生毕业,现于中国特种设备检测研究院工作,从事压力容器、压力管道检验检测、风险评估、失效分析、安全评定、腐蚀调查等工作。