گردآوری : آقای نوید نجفیان

تاریخ :2 اردیبهشت 1403

شرکت: پتروشیمی کرمانشاه

میانگین زمان خواندن:38دقیقه

چکیده

برای اطمینان از عملکرد ایمن مخازن و تجهیزات سنتز فشار بالا در یک کارخانه اوره، اطمینان از سالم بودن لاینر داخلی تجهیزات بسیار مهم است. سالم بودن این لاینرها باید در حین تعمیر و نگهداری واحد بررسی شود. و همچنین یکپارچگی وسلامت آن باید در حین کار کارخانه از طریق یک سیستم نشت یابی مناسب به طور مداوم تحت کنترل باشد. بهترین روش این است که یک نفر را به عنوان مسئول سیستم نشت یابی با مسئولیت اضافه جهت بررسی هرگونه تغییر تعیین کنید. وجود یک سیستم تشخیص نشتی با زمان پاسخ کوتاه برای جلوگیری از تشکیل مواد جامد در پشت لاینر تجهیزات بسیار ضروری است. از نظر تیم ما، صبر کردن تا زمانی که کف و فوم از لوله های تشخیص نشتی مشاهده شود، یک سیستم تشخیص نشتی مناسبی نیست. به خودتان اطمینان دهید که همه سوراخ‌های سیستم تشخیص نشتی با هم ارتباط دارند، توجه داشته باشید که مخازن فولاد کربنی چند لایه دارای سوراخ‌های تهویه هستند که نباید با سوراخ‌های تشخیص نشتی اشتباه گرفته شوند. در مورد استفاده از بخار در سیستم های نشت یابی دیدگاه های متفاوتی در صنعت وجود دارد. توجه داشته باشید که استفاده از بخار در سیستم تشخیص نشتی می تواند منجر به خطرات غیرقابل قبولی شود. مانند ترک خوردگی تنشی دیواره تحت فشار فولاد کربنی از داخل یا در آستر، در ناحیه‌ای که بازرسی غیرممکن است. در صورت شک با سازنده تجهیزات خود تماس بگیرید. به عنوان مثال Stamicarbon یک سیستم تشخیص نشتی پیشرفته را توسعه داده است. لطفا برای اطلاعات بیشتر به وب سایت آنها مراجعه کنید.

مقدمه

همانطور که می دانیم فرآیند تولید اوره از مواد خام آمونیاک و دی اکسید کربن نیاز به فشارها و دماهای بالا دارد. بسته به فناوری توسعه داده شده برای فرآیند تولید اوره، فشار عملیاتی معمولاً بین 140 تا 210 بار و دمای عملیاتی بین 170 تا 200 درجه سانتیگراد متغیر است. تشکیل اوره در دو مرحله انجام می شود:

Step 1: 2 NH3 + CO2 è Carbamate + Q

Step 2: Q + Carbamate è Urea + H2O

واکنش اول سریع و گرمازاست است در حالی که واکنش دوم کند و گرماگیر است. به همین دلیل است که هر کارخانه تولید اوره دارای یک راکتور سنتز اوره با حجم نسبتاً زیاد است که حاوی مخلوطی از آمونیاک، دی اکسید کربن، کاربامات، اوره و آب است. کاربامات در اینجا تنها محصول بسیار خورنده است. همچنین وجود آمونیاک و دی اکسید کربن در شرایط چگالش (در نتیجه تشکیل کاربامات) به عنوان یک خطر بالقوه برای خوردگی شدید در نظر گرفته می شود.

راکتورهای فشار بالا سنتز ، مانند سایر تجهیزات فشار بالا در کارخانه اوره، از یک دیواره فولاد کربنی با یک لایه محافظ (پوشش) ساخته شده است. عملکرد بخش فولاد کربنی مقاومت در برابر فشار بالایی است که در آن فرآیند عمل می کند. دیوار فولاد کربنی معمولاً می تواند از نوع دیوار یک تکه، چند جداره یا چند لایه باشد. در این دیواره های مخازن تحت فشار، سوراخ های نشت یابی حفر می شود تا بتوان نشتی احتمالی را تشخیص داد. به این واقعیت توجه داشته باشید که در دیواره های یک لایه و چند لایه نیز سوراخ های تهویه 2 حفر می شود که ممکن است منجر به سردرگمی شود. این سوراخ‌های تهویه، سوراخ‌های کوری هستند که در دیواره های چند لایه حفر می‌شوند و در حین ساخت تجهیز به کار می روند و به مخزن تحت فشار در حین کار اجازه تنفس می‌دهند.

مجموع ضخامت دیواره فولاد کربنی به عوامل زیادی مانند نوع مخزن تحت فشار ، فشار طراحی، قطر، نوع فولاد کربنی و کد طراحی مورد استفاده بستگی دارد اما برای داشتن یک برآورد این ضخامت حدود 100-300 میلی متر خواهد بود. از آنجایی که سرعت خوردگی فولاد کربنی ناشی از کاربامات زیاد است (حدود 1000 میلی متر در سال)، یک لایه محافظ برای محافظت از فولاد کربنی مورد نیاز است. لایه محافظ می تواند آستر جوشکاری شده یا روکش و یا ترکیبی از هر دو باشد. مواد مورد استفاده جهت ساخت تجهیزات می تواند فولاد گرید 316L اوره ، فولاد ضد زنگ 25-22-2، تیتانیوم یا دوبلکس باشد. ضخامت لایه آستر معمولاً بین 4 تا 10 میلی متر متغیر است و به مجوز توسعه دهنده بستگی دارد. لایه محافظ (آستر یا روکش جوش) طول عمر محدودی دارد. خوردگی مداوم توسط کاربامات می تواند بین 0.03 – 0.2 میلی متر در سال در صورت وجود فرایند پسیویشن[1] مناسب (غیرفعال سازی) تغییر کند. با این حال شرایطی وجود دارد که فرایند غیرفعال سازی به صورت مناسب عمل نمی کند و سپس سرعت خوردگی بالاتر می رود. خوردگی کلی تیتانیوم تقریباً صفر است، اما تیتانیوم یک ماده بسیار حساس برای جوشکاری و برای فرسایش مکانیکی است، بنابراین در اینجا نیز طول عمر لایه محافظ محدود است.

گرمایش و سرمایش باعث ایجاد تنش حرارتی بر روی لایه محافظ می شود زیرا ضرایب انبساط حرارتی دیواره فولاد کربنی و لایه محافظ در بیشتر موارد کاملاً متفاوت است. به عنوان مثال هنگامی که یک راکتور از سرویس خارج می شود و برای انجام کار تعمیراتی باز می شود ممکن است برای خنک شدن سریعتر آن آب اسپری شود که وضعیت زیر ممکن است رخ دهد. دیواره ضخیم فولاد کربنی هنوز در دمای 180 درجه سانتیگراد است در حالی که آستر نسبتاً نازک ممکن است فقط 80 درجه سانتیگراد دما داشته باشد. ضریب انبساط حرارتی فولاد کربنی حدود mm/m/100oC 1.2 و فولاد ضد زنگ حدود mm/m/100oC 1.8 است. با فرض اینکه فاصله بین دو آستر جوش شده ثابت می تواند 6 میلی متر باشد، در این شرایط فولاد زنگ نزن آستنیتی می خواهد حدود 1.2*6 = 7.2 میلی متر کوتاهتر از جوش ها باشد. می‌توان تصور کرد که در این شرایط، ترک‌ها به احتمال زیاد در ضعیف‌ترین نقاط مانند نواحی جوش‌ها تحت تأثیر حرارت رخ می‌دهند. بنابراین توصیه می شود دستورالعمل های صادر کننده مجوز یا سازنده تجهیز را در مورد حداکثر نرخ گرمایش و سرمایش رعایت کنید. در نتیجه باید بدانیم لایه محافظ تجهیزات فشار قوی در کارخانه اوره عمر محدودی دارد و بنابراین نیاز به بازرسی منظم دارد. در صورتی که لایه محافظ یک پوشش جوشکاری شده باشد، این بازرسی فقط در طول تعمیر و نگهداری انجام می شود. اما در صورتی که لایه محافظ یک آستر پوسته باشد، که اغلب چنین است، بازرسی مداوم در حین کار یا به عبارت دیگر یک سیستم تشخیص نشتی مداوم برای اطمینان از عملکرد ایمن بخش سنتز فشار بالا یک کارخانه اوره بسیار مهم است.

راکتور فشار بالای سنتز اوره، یک مخزن آستر دار تحت فشار و نیازمند به سیستم نشت یابی

مکانیسم شکست آسترهای داخل پوسته

چندین مکانیسم مختلف شکست بسته به نوع فرآیند، جنس ساخت آستر، نوع فولاد کربنی و حتی نحوه طراحی و عملکرد سیستم تشخیص نشتی می تواند باعث از بین رفتن یکپارچگی آستر پوسته شود. عیب های جوشکاری در جوش های آستر و خوردگی در ناحیه متاثر از حرارت[2] جوش ها (HAZ) رایج است. اجازه دهید یک نمای کلی از مکانیسم شکست احتمالی به شما ارائه دهیم:

     

      • عیوب جوش : اولین و بارزترین مکانیسم شکست در آسترهای پوسته، عیوب مربوط به جوش کاری است. هر جوش کاری می‌تواند حاوی نقص‌هایی مانند همجوشی و یا کرم‌چاله‌های ناشی از رطوبت یا رسوب در طول فرآیند جوشکاری باشد، به‌ویژه زمانی که جوشکاری در شرایط سخت در محیط انجام شده باشد. این عیوب جوش می توانند باعث مشکلات خوردگی شوند همانطور که در بند 2 نشان داده شده است، اما عیوب جوش مانند همجوشی نیز می توانند باعث کاهش یا از بین رفتن استحکام مکانیکی در نتیجه نیروهای وارده به آستر در طول چرخه های گرمایش و خنک کاری شوند.

      • خوردگی شکافی در آسترهای فولادی ضد زنگ و دوبلکس : خوردگی شکافی معمولاً در جوش های آستر یا در جوش های گیره های داخلی نگهدارنده به آستر مانند گیره های سینی در یک راکتور یا تقسیم کننده های گاز/مایع در مبدل های حرارتی رخ می دهد. بسیاری از اوقات کرمچاله یک نقص زیرسطحی است و در طول فرآیند ساخت شناسایی نمی شود. اما پس از مدت معینی از کارکرد و پس از مقداری خوردگی غیرفعال، سوراخ کرم چاله باز می شود و کاربامات می تواند وارد سوراخ کرم چاله (شکاف) شود. در شکاف هیچ اکسیژن تازه ای جهت ایمن سازی (پسیویشن) وارد نمی شود، اکسیژن موجود پس از مدتی تخلیه می شود و خوردگی فعال با سرعت بالاتر شروع می شود. یکی دیگر از مناطق برای خطرات خوردگی شکافی، ترک‌ها هستند که می‌توانند در نتیجه چرخه‌های گرم کردن و سرد ‌کردن رخ دهند. (Stamicarbon بیان می کند که دوبلکس Safurex® خوردگی فعال را تجربه نمی کند).

       

        • خوردگی در ناحیه متأثر از حرارت جوش های آستر: با توجه به دماهای در طول فرآیند جوشکاری، ناحیه مجاور جوش، به اصطلاح مناطق متاثر از حرارت، نسبت به مشکلات خوردگی حساس تر هستند. چندین بار پدیده‌های [3]Weld Decay یا [4]Knife-Line Attack در این ناحیه مشاهده می‌شود. Knife-Line Attack نوعی خوردگی بین دانه ای و بین جوش و آستر است. این حمله تیز به نظر می رسد و از این رو به آن حمله “خط چاقو” می گویند.

         

          • خوردگی چگالش (کندانسیشن گاز) در لاینرهای فولادی ضد زنگ و دوبلکس: در فرآیند تولید اوره، خود اوره خورنده نیست. این محصول میانی واکنش یعنی کاربامات آمونیوم است که بسیار خورنده است. برای جلوگیری از خوردگی از فولادهای ضد زنگ مخصوص استفاده می شود که به عنوان آستر باید در حالت غیرفعال خوردگی باقی بماند. نرخ خوردگی غیر فعال فولادهای زنگ نزن آستنیتی حدود 0.1 میلی متر در سال است در حالی که خوردگی فعال صدها برابر سریعتر است. بنابراین افزودن مداوم هوا (اکسیژن) یا پراکسید هیدروژن به فرآیند از اهمیت بالایی برخوردار است. علاوه بر این، باید توجه داشت که خوردگی (الکتروشیمیایی) فقط در فاز مایع رخ می دهد. در فاز گاز خوردگی نمی تواند رخ دهد. با این حال، هنگامی که چگالش گازها در فاز گاز رخ می دهد، مایع کارباماتی که تشکیل می شود در آن اکسیژن یا پراکسید هیدروژن وجود ندارد. به دلیل کمبود اکسیژن، لایه غیرفعال روی آستر حفظ نمی شود و خوردگی فعال آستر شروع می شود. بنابراین مناطقی در مخازن تجهیزات تحت فشار بالا که در آن فاز گاز در طول عملیات عادی وجود دارد برای این نوع خوردگی حیاتی هستند. این قسمت های تجهیرات و خطوط انتقال باید شناسایی شده و به خوبی عایق بندی شوند.

        خوردگی چگالشی در فاز گاز در مکان‌هایی که یک ناحیه سرد وجود دارد (نازل‌ها، روکش‌های راه‌اندازی، گیره‌های بالابر، پیچ‌های گل میخ) و یا جایی که تریسینگ ها و عایق ظروف در شرایط خوبی نیست رخ می‌دهد.

           

            • ترک خوردگی تنشی فولاد کربنی : به طور کلی فولاد کربنی به ترک خوردگی تنشی توسط چندین یون مانند نیترات ها و همچنین کربنات ها حساس است. به عنوان مثال، در صورتی که عایق یک مخزن فشار قوی وضعیت خوبی نداشته باشد و کارخانه های اسید نیتریک یا نیترات آمونیوم در همسایگی آن قرار داشته باشند، با باران یا رطوبت برج های خنک کننده آب[5]، نیترات می تواند با فولاد کربنی تماس پیدا کند. این منجر به ترک هایی از بیرون ظروف فولاد کربنی می شود که منجر به تخریب یکپارچگی آن می گردد. بهترین کار این است که یک عایق خوب در ترکیب با یک پوشش مناسب داشته باشید و در بدترین حالت یک پناهگاه در برابر باران بالای مخزن فشار قوی بسازید. با این حال چندین بار نیز ترک هایی از داخل در دیواره فولاد کربنی تجربه شده است، در محلی که لاینر به پوسته وصل شده است. در بازرسی های معمولی به سختی می توان ترک هایی را در این ناحیه پیدا کرد و در بسیاری از مواقع منجر به یک فاجعه ناگهانی می شود. این نوع ترک‌ها می‌توانند هنگام شستشوی سیستم‌های تشخیص نشتی با بخار یا کندانس ایجاد شوند. از طرفی ممکن است تصور شود که بخار واضح ترین و بهترین وسیله برای شستشوی کاربامات و اوره در سیستم تشخیص نشتی پشت لاینر است. با این حال، بارها مشاهده شده که با بخار، یون‌هایی وارد سیستم می‌شوند که می‌توانند باعث ترک خوردگی تنشی مخزن فولاد کربنی شوند. به نظر می رسد که در صنعت دیدگاه های کاملا متفاوتی در مورد استفاده از بخار در سیستم های تشخیص نشتی وجود دارد. اینجا ممکن است چالش یافتن جایگزینی مناسب به جای بخار برای باز کردن مسدودی و گرفتگی یک سیستم تشخیص نشتی باشد.

            • خوردگی حفره ای: ناخالصی‌های موجود در جریان‌های خوراک کارخانه اوره مانند گوگرد و کلرید می‌توانند باعث خوردگی حفره‌ای در آستر شوند، بنابراین سرعت خوردگی محلی بسیار بالاتری رخ می‌دهد.

            • شکاف های خستگی: همانطور که قبلاً اشاره شد ضریب انبساط حرارتی فولاد کربنی حدود mm/m/100oC 1.2 است، در حالی که در فولاد ضد زنگ حدود mm/m/100oC 1.8 است. علاوه بر این توجه داشته باشید که لاینر نسبتاً نازک است در حالی که دیواره فولاد کربنی نسبتاً ضخیم است. در حین گرم شدن[6] راکتور، لاینر در مقابل فولاد کربنی رانده می شود و زمانی که فاصله بین لاینر و دیواره فولادی کربنی حداقل باشد، به سختی انبساط حرارتی رخ می دهد، به جز زمانی که لاینر یک لاینر نرم است و به سختی به فولاد کربنی متصل می شود، به عنوان مثال در مکان هایی که لاینر به شدت خم می شود ممکن است کمی خم شدگی رخ دهد. علاوه بر این در شرایط خنک‌ سازی، لاینر نازک سریع ‌تر از دیواره فولاد کربنی ضخیم خنک می‌شود و لاینر پس از تعداد معینی از چرخه‌های گرمایش/خنک کردن، با نیروهای قوی مواجه می‌شود که باعث ایجاد شکاف می‌گردد.

            • فرسایش (خوردگی مکانیکی) لاینرهای تیتانیومی: تیتانیوم این عیب را دارد که این ماده در دماهای بالا نسبتاً نرم است و بنابراین نسبت به فرسایش حساس است، بنابراین هر جا که سرعت جریان بالایی وجود داشته باشد فرسایش ممکن است رخ دهد و لاینر نازک‌تر شود.

          در نتیجه، یکپارچگی لاینر پوسته دلایل مختلف، حتی به دلیل طراحی و عملکرد نامناسب خود سیستم تشخیص نشتی می تواند در خطر باشد. بیایید در مورد سیستم تشخیص نشتی بیشتر بحث کنیم.

          سیستم های تشخیص نشتی

          سیستم های تشخیص نشتی مختلف بسیاری در صنعت موجود است. اول از همه، فلسفه طراحی یک سیستم تشخیص نشتی تولیدکنندگان مختلف متفاوت است. یک سیستم تشخیص نشتی به طور کلی برای تشخیص نشتی در لاینر داخلی تجهیزات طراحی شده است. یک لاینر از صفحاتی تشکیل شده است که به یکدیگر جوش داده شده اند و این جوش ها هستند که باید بحرانی ترین مناطق از منظر خوردگی در نظر گرفته شوند. این اتصالات لاینری را می توان به دو نوع اتصال سست لاینر[7] به پوسته (دو صفحه لاینری که بدون هیچ گونه اتصالی به فولاد کربنی به هم جوش داده شده اند) و جوش لاینر ثابت[8] (دو صفحه لاینری که به هم جوش داده شده اند و در همان زمان به فولاد کربنی وصل می شوند) تقسیم کرد. جوش های لاینر سست را می توان با آزمایش غیر مخرب (NDT) بررسی کرد و زمانی که آزمایش به درستی انجام شود، می توان این جوش ها را مانند خود صفحات لاینر در نظر گرفت. با این حال، جوش های لاینر ثابت را نمی توان با رادیوگرافی بررسی کرد و بنابراین یک خطر بالقوه برای نشتی است. این بدان معنی است که اساساً سیستم های نشت یابی به گونه ای طراحی شده اند که نشتی در این جوش ها زودتر تشخیص داده شود.

          دوم، قسمت قابل مشاهده سیستم تشخیص نشتی نیز از یک کارخانه به کارخانه دیگر متفاوت است: برخی از کارخانه ها از فلاش با هوا ، برخی دیگر با دی اکسید کربن، برخی دیگر با بخار استفاده می کنند و برخی حتی صبر می کنند تا بخار از لوله های تشخیص نشتی خارج شود، برخی به عنوان نشانگر نشتی از یک تیوب با محتوای فنل فتالئین استفاده می کنند، برخی دیگر از آشکارساز آمونیاک استفاده می کنند و برخی دیگر رسانایی را اندازه گیری می کنند. مهم نیست که شخص از چه نوع سیستمی استفاده می کند، بلکه مهم این است که از حداقل از یک سیستم تشخیص نشتی استفاده شود. بهترین روش این است که یک نفر را به عنوان مسئول سیستم نشتی با مسئولیت اضافه جهت بررسی مکرر تغییرات تعیین کنید. در صورت نشتی لاینر، سیال حاوی کاربامات آمونیوم وارد فضای بین لاینر و دیواره مخزن تحت فشار فولاد کربنی شده و باعث خوردگی فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ و در نتیجه پارگی ظرف می شود.

          پارگی اسکرابر فشار قوی به دلیل نقص سیستم تشخیص نشت