高壓甲銨洗滌器防爆筒體破裂原因分析及預(yù)防措施

石新光

(海洋石油富島有限公司 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥二部尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦公司的改進(jìn)型二氧化碳汽提工藝，尿素生產(chǎn)能力為2 700 t/d，于2003年9月建成投產(chǎn)。高壓甲銨洗滌器是尿素裝置高壓系統(tǒng)4臺(tái)設(shè)備之一，其作用是將合成塔氣相中的氨和二氧化碳回收以后送回高壓系統(tǒng),并將吸收后的尾氣送至0.4 MPa吸收系統(tǒng)再次吸收后排入大氣。高壓甲銨洗滌器的運(yùn)行狀況直接影響高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)的運(yùn)行情況和系統(tǒng)消耗, 也事關(guān)尿素裝置的安全運(yùn)行。尿素裝置自投產(chǎn)以來，高壓甲銨洗滌器防爆筒體先后發(fā)生2次破裂，其破裂形式和破裂原因分析介紹如下，以期從工藝操作上消除由于高壓甲銨洗滌器筒體事故對尿素裝置安全運(yùn)行的影響。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，高壓甲銨洗滌器主要由上部精餾吸收段、中部防爆空間、下部浸沒式列管冷凝器和底部氣體分布器組成。

圖1 高壓甲銨洗滌器結(jié)構(gòu)示意

正常生產(chǎn)時(shí)，來自合成塔的氣相經(jīng)防爆空間到達(dá)高壓甲銨洗滌器的底部，與從頂部流下的甲銨溶液混合，氣液相混合物經(jīng)浸沒式列管冷凝器的列管上升，氣相被吸收，液相通過溢流堰流出并經(jīng)噴射泵返回高壓系統(tǒng)，未冷凝的氣相被高壓甲銨泵送來的甲銨液進(jìn)一步吸收，幾乎所有的氨和二氧化碳被冷凝，尾氣經(jīng)0.4 MPa吸收塔吸收后排入大氣，冷凝產(chǎn)生的熱量被高壓調(diào)溫水帶走。為了減少可能發(fā)生的爆炸的危害性，填料床設(shè)置1塊防爆板并被安裝成球形。出合成塔的氣相在進(jìn)入高壓洗滌器前先經(jīng)過該球形防爆板，如果發(fā)生爆炸，其可作為緩沖層，以保護(hù)設(shè)備不被損壞。

2 防爆筒體破裂經(jīng)過及原因分析

2.1 事故一

2.1.1 事故經(jīng)過

2012年4月30日05：30，氨合成裝置合成氣壓縮機(jī)出口安全閥起跳未能回座，由于蒸汽供應(yīng)緊張，尿素裝置于05：33緊急封塔停車。在處理過程中，主控蒸汽操作反應(yīng)滯后，蒸發(fā)尿液仍帶負(fù)荷循環(huán)，致使高壓調(diào)溫水溫度最低降至92 ℃，此時(shí)高壓甲銨洗滌器內(nèi)部已出現(xiàn)結(jié)晶，走水確認(rèn)過程中操作人員未特別關(guān)注參數(shù)的變化。5月1日15：51尿素裝置投料后，發(fā)現(xiàn)工況異常，0.4 MPa吸收塔安全閥起跳，系統(tǒng)再次封塔。隨后又經(jīng)過2次投料，均無法正常投產(chǎn)，遂決定停車搶修。5月2日18：30打開高壓甲銨洗滌器人孔，發(fā)現(xiàn)筒體已嚴(yán)重變形(圖2)，焊縫撕裂長度達(dá)300 mm(圖3)。在對內(nèi)部筒體進(jìn)行整體更換后，5月9日04：08尿素裝置全系統(tǒng)恢復(fù)生產(chǎn)。

圖2 變形后的防爆筒體

圖3 防爆筒體焊縫撕裂損壞示意

2.1.2 原因分析

(1)尿素裝置停車時(shí)，對蒸汽管網(wǎng)的操作嚴(yán)重滯后，高壓調(diào)溫水溫度低于100 ℃持續(xù)了24 min，是造成高壓甲銨洗滌器列管和中心降液管堵塞的直接原因。

(2)當(dāng)列管和中心管被堵塞后，防爆筒體外側(cè)與來自合成塔的高壓氣相連通，而防爆筒體內(nèi)側(cè)與低壓系統(tǒng)連通，并通過下液管與高壓噴射器吸氣室相連，在筒體外側(cè)高壓壓力和筒體內(nèi)側(cè)高壓噴射器抽吸作用下，防爆筒體內(nèi)外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內(nèi)側(cè)變形直至被撕裂。

(3)尿素裝置重新投料后，工況參數(shù)已正常，但沒有發(fā)現(xiàn)高壓甲銨洗滌器列管及中心降液管出現(xiàn)結(jié)晶堵塞，未立即停車處理，后又經(jīng)過2次投料才意識(shí)到高壓甲銨洗滌器出現(xiàn)結(jié)晶堵塞。

(4)高壓甲銨洗滌器出液管線上的液位計(jì)長期無指示，封塔走水確認(rèn)和投料前的充液完全靠操作經(jīng)驗(yàn)，造成各級(jí)人員未能準(zhǔn)確判斷出設(shè)備是否出現(xiàn)堵塞。

2.2 事故二

2.2.1 事故經(jīng)過

2018年1月10日10：48，因儀表更換卡件，導(dǎo)致氨合成裝置聯(lián)鎖跳車，尿素裝置緊急封塔停車；10：48壓縮機(jī)緊急停車，高壓系統(tǒng)封塔；10：49停氨泵；11：06高壓甲銨洗滌器開始走水置換，11：31停車走水；11日20：25啟動(dòng)高壓沖洗水泵向高壓系統(tǒng)各排放點(diǎn)打水進(jìn)行投料前檢查，以確認(rèn)是否暢通；22：18開始向高壓甲銨洗滌器加水；22：28全開高壓甲銨洗滌器的尾氣排放閥(HV3031)；22：31啟動(dòng)氨泵向高壓系統(tǒng)輸送液氨；22：37投二氧化碳，投料后發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)溫水一直沒有出現(xiàn)溫差；23：02合成塔出料負(fù)荷為67%；23：03發(fā)現(xiàn)氣相循環(huán)管線法蘭溫度偏低，可能存在堵塞問題，故對高壓甲銨洗滌器底部打水，高壓沖洗水泵出口壓力表(PIC3288)壓力未下降；23：18將高壓調(diào)溫水溫度提至144 ℃，對高壓甲銨洗滌器換熱列管進(jìn)行熱洗；12日01：30封塔停車；經(jīng)沖洗、檢查、確認(rèn)后，06：12再次投料，但高壓調(diào)溫水始終無溫差，初步判斷為高壓甲銨洗滌器筒體破裂，決定排塔檢修；13日13：00清理出304C填料層后，發(fā)現(xiàn)防爆筒體的防爆槽存在1條長度為48 cm的裂縫(圖4)。根據(jù)防爆筒體破裂受力方向分析，防爆筒體內(nèi)發(fā)生了尾氣閃爆。

圖4 防爆筒體爆炸損壞示意

2.2.2 原因分析

(1)在封塔停車后，由于高壓系統(tǒng)壓力下降較快，將HV3031全關(guān)后仍有流量，認(rèn)為HV3031存在內(nèi)漏，在封塔期間將HV3031全部關(guān)閉，造成惰性氣體在高壓甲銨洗滌器內(nèi)積累。

(2)向高壓甲銨洗滌器加水吸收了高壓系統(tǒng)的氨和二氧化碳后，造成惰氣中氫氣含量增加，使惰氣進(jìn)入爆炸范圍。

(3)在系統(tǒng)投料前打開HV3031時(shí)，氣體高速流動(dòng)產(chǎn)生靜電引發(fā)閃爆，筒體內(nèi)部局部壓力急劇上升，造成防爆筒體上的防爆槽破裂。

3 防爆筒體破裂的預(yù)防措施

高壓甲銨洗滌器防爆筒體破裂一般發(fā)生在開停車階段和其他非正常生產(chǎn)狀態(tài)下，如短期停車、保溫保壓、打水沖洗防堵等，大體可分為外爆炸型(如事故二)和內(nèi)壓型(如事故一)2種類型。外爆炸型是由于在高壓甲銨洗滌器防爆筒體內(nèi)部有大量惰性氣體積存，在靜電、撞擊、加熱等因素作用下引起爆炸，導(dǎo)致防爆槽向外破裂或變形，屬于化學(xué)爆炸。內(nèi)爆炸型是在列管和中心管出現(xiàn)堵塞后，因防爆筒體外側(cè)與合成塔高壓氣相連通，而防爆筒體內(nèi)側(cè)與低壓系統(tǒng)連通并通過下液管與高壓噴射器吸氣室相連，在筒體外側(cè)高壓壓力和筒體內(nèi)側(cè)高壓噴射器抽吸作用下，防爆筒體內(nèi)外壓差逐漸增大，最終壓迫筒體向內(nèi)側(cè)變形，直至筒體被壓破，屬于物理爆炸。

為了防止高壓甲銨洗滌器在開停車階段和其他非正常生產(chǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)防爆筒體破裂，不僅應(yīng)避免高壓甲銨洗滌器中心降液管和列管出現(xiàn)堵塞，還應(yīng)避免高壓甲銨洗滌器內(nèi)的惰性氣體進(jìn)入爆炸范圍，其具體防范措施如下。

(1)停車后，應(yīng)及時(shí)對高壓甲銨洗滌器進(jìn)行排放，并走水沖洗置換干凈。

(2)停車過程中須及時(shí)確認(rèn)高壓調(diào)溫水去預(yù)蒸發(fā)加熱器的切斷閥被關(guān)閉，并打開高壓調(diào)溫水夾套蒸汽加熱閥，將高壓調(diào)溫水的溫度控制在130 ℃。

(3)停車過程中高壓甲銨洗滌器尾氣排放閥開度保持在5%，不能因?yàn)殚y門內(nèi)漏而將其關(guān)閉，停車期間每班應(yīng)2次確認(rèn)HV3031暢通，且HV3031的調(diào)節(jié)要求平穩(wěn)、緩慢。

(4)保持0.4 MPa吸收塔尾氣排放閥有一定開度，防止閥門在自控狀態(tài)下關(guān)閉。

(5)在開車投料過程中，須注意高壓甲銨洗滌器參數(shù)的變化，特別是高壓調(diào)溫水溫差的變化，若無溫差須及時(shí)將物料退出系統(tǒng)并查找原因，切不可盲目繼續(xù)投料；不能增大HV3031的開度，防止高壓甲銨洗滌器泄壓后造成防爆筒體內(nèi)外壓差增大而使其破裂。

(6)投料前向高壓甲銨洗滌器中加水不宜過早和過多，防止氣相中的氨被大量吸收后而使惰氣進(jìn)入爆炸范圍，一般在投料前10～15 min加水，加水量控制在10～15 t/h。

(7)由于設(shè)計(jì)上高壓甲銨洗滌器走水并不能明顯確認(rèn)其列管是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，為彌補(bǔ)缺陷，建議在高壓甲銨洗滌器的出口管線增設(shè)1只壓力表，根據(jù)合成塔與高壓甲銨洗滌器出口管線壓差來判斷高壓甲銨洗滌器列管和中心降液管是否出現(xiàn)堵塞。