尿素合成塔爆炸分析

尿素合成塔爆炸分析

摘要

据不完全统计，在尿素运行装置中仅尿素合成塔爆炸事故在世界范围內至今已发生四起：美国路易斯安南州Aradian公司尿素合成塔、1995“10.7”河北迁安化肥厂Ø1.4米多层承压筒体尿素合成塔、2004“7.30”緬甸Ø1.3米单层承压筒体尿素合成塔、2005“3.21”山東平阴化肥厂Ø1.4米多层承压筒体尿素合成塔。由于尿素生产工艺的未知因素对尿塔設計、制造、使用、維护、捡修过程中产生的问题目前还不能完全解决，特别是通过调查发现国内为数不少的氮肥企业对设备本质安全的重视程度比较肤浅，在安全生产的先进技术装备、资金投入和科学管理等方面离防患于未然还相差甚远，所以解决企业管理者认识上的误区。加强尿素合成塔的安全生产管理很有必要。

关键词：尿素合成塔；爆炸

1事故性质决定研究方向

1.1事故性质分类

爆炸可以分为以下几种：

（1）化学爆炸［1］：是易燃易爆物质本身发生化学反应，产生大量的气体和高热而瞬间形成的爆炸现象；且多为可燃气体或液体蒸气与空气（氧气）形成爆炸混合物，遇着火源而发生的爆炸现象。

（2）物理爆炸［1］：是气体或液体压力，超过设备、容器的极限压力强度，内部有介质急剧冲击而引起的爆炸现象。

（3）应力腐蚀破裂：金属构件在应力和特定的腐蚀介质共同作用下，被腐蚀并导致脆性破裂的现象，叫应力腐蚀破裂。应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，应力腐蚀破裂是应力腐蚀的最终结果。应力腐蚀有以下几个典型特征。

① 引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且大小应力均可导致此种腐蚀，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏。应力既可由载荷引起，也可是焊接、装配或热处理引起的残余应力。

② 纯金属不发生应力腐蚀，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会产生应力腐蚀裂纹。极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。各种工程实用材料几乎都有应力腐蚀敏感性。

③ 产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间存在选择性和匹配性，即当二者是某种特定组合时，才会发生应力腐蚀。

④ 应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展等

阶段，发展到失稳扩展即造成应力腐蚀破裂。

1.2针对不同事故形式的解决方法

如果是化学爆炸，行业应该着力于进一步规范和提高对工艺过程的研究，强化介质净化方式与指标的控制，加强生产操作管理，设备维护，检漏监控，气体成分控制，消除静电影响等方面的工作。

如果是物理爆炸，相关行业应该着力改进设备设计、材料选择、制造工艺、制造检验与使用检验的衔接及科学性，这涉及设备产品质量策划的全过程。 以前行业对尿素合成塔的研究有所偏颇：对工艺理论有研究，但对装备理论的研究少；对内衬的研究与强调多，对壳体的研究与强调少；对内衬检查得多，对外壳检查得少；有工艺介质指标控制体系，但检漏介质指标少；讲化学爆炸多，讲物理爆炸少；结果是壳体安全被忽略了，成了尿素行业最大的隐患。 2应力腐蚀引起的爆炸

2.1液氨对碳钢及低合金钢的应力腐蚀

液氨储罐在充装、卸放及检修时，难免有空气进入，接触了空气的液氨，由于氧及二氧化碳的参与，若设备存在应力（特别是焊接残余应力），又未进行焊后消除应力的热处理或未达到处理效果时，钢材会出现强烈的腐蚀，随之产生应力腐蚀裂纹，并多产生于焊缝部位。钢材强度越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向越大，最终导致容器破裂。如表1中例1、例3。

2.2硫化氢对钢制容器的应力腐蚀湿的硫化氢加上设备本身存在应力特别是焊接残余应力，钢制容器会产生强烈的应力腐蚀，这方面浙江工业大学与镇海炼化公司合作，进行了有益的试验研究[2]，得出如下结论。① 16MnR钢在不同饱和硫化氢溶液中的表面状态主要与试验溶液的pH值有关。当溶液为中性或碱性时，材料表面形成致密的保护膜，在一定的电位区域表现为钝态。溶液呈酸性时，材料表面处于活性溶解状态。

② 16MnR钢在饱和硫化氢溶液中发生应力腐蚀开裂，氢致开裂裂纹和阳极溶解型裂纹并存。在酸性溶液中以氢致开裂裂纹为主，在中性或碱性溶液中以阳极溶解型裂纹为主。

③ 对于氢致开裂型裂纹的形成和扩展，溶液中的氢离子浓度是外因，材料组织结构存在缺陷为内因。对于阳极溶解型裂纹的形成扩展，材料表面在溶液中形成钝化膜，而活性阴离子的存在是诱因，形成了小阳极/大阴极腐蚀体系，这是裂纹扩展的动力。2.3苛性碱对锅炉锅筒或容器的应力腐蚀（碱脆或苛性脆化）

这种应力腐蚀一般需要三个条件[3]：较高的温度、较高的苛性碱度及较高（达到钢材屈服点）的拉伸应力。在锅炉锅筒的胀口、换热器管板焊缝部位，上述三个条件有可能同时满足，从这些部位开始出现应力腐蚀开裂。含碱容器的接管、法兰部位及其他应力集中部位，也有碱脆开裂的例证。尿素合成塔涉及渗漏试验，其中的残余液氨、检漏蒸汽沉积的苛性碱的影响见表1中例4、例6。

2.4氯离子对奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀无论是高浓度的氯离子，还是高温高压水中微量的氯离子，均可使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀。应力腐蚀裂纹常产生在焊缝附近，最终造成容器破裂

[4]。2.5在潮湿条件下一氧化碳气瓶的应力腐蚀

工业一氧化碳气体中常含有二氧化碳和水分，由于气瓶反复充装，应力交变，气瓶会产生应力腐蚀裂纹甚至破裂[5]。

应力腐蚀的典型案例及处理措施见表1， 产生上述应力腐蚀的常见材料与腐蚀性介质的匹配性见表2。

3尿素合成塔爆炸事故教训

3.1单层承压筒体结构尿素合成塔爆炸事故

缅甸某260t/d尿素装置1985年建成投产，荷兰斯塔米卡邦CO2汽提工艺，

大部分设备为二手货系上世纪七十年代中期产品，尿素合成塔是西欧一家制造厂生产的设备，采纳了斯塔米卡邦公司后来的不少改进措施，例如增加CO2脱H2

系统、0.4MPa吸收系统和水解系统等，加氧量0.8-1.0%。运行近20年开停车约

600次，工厂管理水平不太高。

该厂尿素合成塔Ø1300mm，厚度53mm的单层碳钢承压筒体内衬5mm的316L（尿素级）不锈钢板，碳钢封头厚39mm松衬5mm的316L（尿素级）不锈钢板，内设8块多孔塔板，总重49吨，设计压力15.8MPa(A)，设计温度183℃，水压力试验压力20.1MPa，环焊缝焊后未作热处理。运行过程中不锈钢衬里有泄漏和修理的记载，工艺介质与碳钢筒体有接触腐蚀的历史。

2004年7月29日下午装置停运后重新开车，操作状况不太稳定，7月30日凌晨5时40分突然发生尿素合成塔爆破，下封头沿环焊缝断开并被撕裂成两半且飞出100多米远，重约45吨的整段筒体和上封头反方向飞出约300米砸落在厂外公路上，由于路面较硬仅砸入地下2米多，筒体膨胀变形为椭圆状。

尿塔爆破后下封头飞出约100米 下封头撕裂的断口

飞出约300米的变形筒塔 封头与塔体的环焊缝断口

尿塔上封头膨胀变形 框架和电梯井被毁

框架18米楼面设备和管道被毁 一、二段蒸发系统被毁

据该国保险公司调查结论为材料疲劳所致，理由是该塔运行近20年并且开停车频繁，53mm厚的单层碳钢承筒体环焊缝焊接技术要求未规定焊后热处理消除应力，因此可能存在残余应力腐蚀。

据该国的有关专家怀疑是入塔物料管产生强烈振动造成管口断裂，大量高温高压的化工物料外泄冲刷产生静电引起爆炸，爆炸使尿塔筒体底部深环焊缝断裂，瞬间形成的巨大爆破力将下封头和塔体断成两段，塔体上部飞出近百米，强大的冲击波还将尿素框架和电梯井推毁[6]。

3.2单个筒节多层包扎深环焊缝焊接筒体结构的尿素合成塔爆炸事故

第一段残留在尿素合成塔的爆炸现场， 残留塔体整体向南偏西倾斜约15度

第二段破墙而入打入南侧主厂房三层的 爆口呈多处不规则断裂

一个房间内

第三段向北偏东方向飞过一排厂房后，上合成塔第三段环焊缝断口宏观状况 封头朝下、筒体朝上斜插入土中，落地点距塔基约90米

2005年3月21日山东省平阴县的山东鲁西化工集团第三化肥厂Ø1400mm多层包扎筒体结构尿素合成塔发生爆炸事故，4人死亡，30多人受伤，直接经济损失上千万元。3月21日中班接班后生产稳定，21时20分左右，尿素合成塔突然发生爆炸并起火，整个尿素车间主框架燃起大火，由十个筒节焊接而成的尿塔塔体断为三段，由上往下第十节在原地与基础连接，第九节向西南方向打入框架二楼楼梯方向，第一节至八节整体向东北方向飞出约86m落至造气车间将外管架上的部分蒸汽、软水、提氢等管道砸断，坠入地下七、八米深，爆炸产生的强烈冲击波使尿素车间主框架遭到严重破坏，并且振毁了生产厂区内的大部分门窗玻璃。

10年前（1995年10月7日）河北省迁安化肥厂Ø1400mm多层包扎筒体结构尿素合成塔曾经发生过此类爆炸，目前国内仍有上千套化肥装置使用这种结构的尿素合成塔。国内相继两次尿素合成塔事故爆炸的原因众说纷芸：

一说“引起尿素合成塔爆炸的原因为塔体材料（包括焊缝）的应力腐蚀开裂，应力腐蚀开裂导致了塔体承载截面积严重下降，尤其是发生在爆炸筒节处环焊缝上侧的应力腐蚀开裂使得该处的承载截面积急剧下降，最终产生快速断裂，引起塔内介质迅速泄漏导致塔内介质爆沸和该筒节的爆炸。”

二说“尿素合成塔爆炸最主要的原因可能是装置进料出了问题，入塔合成的化工原料二氧化碳与氨配比不当最容易产生危险，达到爆炸极限的混合气体通过尿素合成塔塔顶出料阀时，气体与阀门以及出料管壁之间高速摩擦产生静电火花，引起塔内气相空间的混合气体爆炸，然后向下扩散叠加，产生第二次化学爆炸。”

三说“物理性质的爆炸往往选择在设备的薄弱部位，而能量巨大的化学性质爆炸产生的破裂部位并不取决于塔体哪个部位材料强度的差异。也就是说不在于塔体什么地方薄弱，而是在能量最集中的部位炸开，

即使这个部位采用再好的钢

板也挡不住这类爆炸的破坏力。”

4对尿素合成塔壳体常见设计及安全性的评价（表7）表7 尿素合成塔壳体常见设计及安全评价

5 结论

1.壳体破坏的典型原因是应力腐蚀裂纹造成物理破裂、介质大面积泄漏，相变能量引发爆炸现象。

2.因为焊接连接的检漏孔也可能出现向层板渗漏的情况，且这种渗漏难以监控和及时发现。低应力制造工艺仍然存在应力腐蚀可能性。所以定期检验有它不可替代的重要性。一切造成无法或难以科学定检的结构都是有安全隐患的。

参考文献

[1]原化学工业部化肥司.《化肥安全技术手册》［M］.1983.

[2]郑华均，张康达, 董绍平.《16MnR钢在不同饱和硫化氢溶液应力腐蚀的试验研究》.

[3]周留霞.尿素合成塔结构特点与运行总结[J].安徽化工,2008,34(3).

[4]闫百强,侯博亚,智,勇.尿素合成塔内衬泄漏原因及防护措施[J].小氮肥,2010,38(6).

[5]邵建雄,赵斌义.尿素合成塔压力外壳新型结构探析[J].化肥工业,2010,37(3).

[6]徐书根,王威强,李梦丽,等.平阴尿素合成塔起爆源处层板应力腐蚀开裂分析

[J].2009,34(1).

[7]侯少华. 在用尿素合成塔检验方法探讨[J].无损探伤,2010,34(1).

[8]史红兵.无损检测技术在尿素合成塔定期检验的应用[J].

[9]吴书斌.运行31年尿素合成塔201-D产生现状、分析与对策[J].计量与测试技术,2010,37(7)第34 卷第1 期

[10]叶大松.我厂尿素合成塔的防腐小结[J] 化工设计通讯,2010,36(3)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tgii.html