رپچر کردن تیوب های استریپر واحد اوره

گردآوری و ترجمه : آقای مهندس نوید نجفیان

تاریخ :22 مهر 1403

شرکت: پتروشیمی کرمانشاه

میانگین زمان خواندن:8دقیقه 

• مقدمه :

در این نوشتار به مشکل عمده نشت در استریپر سنتز واحد های تولید اوره می پردازیم. یک حادثه نشت در یکی از اساسی ترین تجهیزات سنتز واحد اوره یعنی استریپر فشار بالا واحد اوره یکی از پتروشیمی های تولید کننده اوره رخ داد که در طی آن یکی از تیوب های استریپر دچار رپچر گردید که منجر به توقف اضطراری سنتز و زیان در تولید گردید. آنالیز و بررسی این اتفاق می تواند منجر به جلوگیری از اتفاقات مشابه و همچنین به حداقل رساندن آسیب های جانبی در اتفاقات مشابه احتمالی گردد. پارگی در یکی از تیوب های فشار بالای استریپر منجر به نشت محتویات فشار بالای فرایندی به داخل شل استریپر و همچنین استیم درام متصل به آن گردید که سبب توقف اضطراری واحد و توقف تولید به مدت سه روز شد. نشتی آنقدر زیاد بود که منجر به عمل کردن PSV نصب شده بر روی استیم درام متصل به شل استریپر بر روی فشار 26 بار گردید و محتویات فرایندی اوره از طریق مسیر PSV  به محیط نشت پیدا کرد. برای کنترل شرایط و ایمنی، توقف اضطراری واحد انجام شد. هدف از این نوشتار برجسته کردن موارد لازم برای تشخیص نشتی و پارگی تیوب های استریپر در طول بهره برداری واحد و همچنین رفع مشکلات احتمالی پس از وقوع این حادثه می باشد.

• معرفی :

این مجتمع پتروشیمی با ظرفیت تولید سالانه 600000 تن کود اوره در حال فعالیت می باشد . این شرکت بر اساس فناوری شرکت استمی کربن[1] ساخته شده است .  در قسمت سنتز واحد اوره یکی از مهم ترین تجهیزات فرایندی استریپر فشار بالا[2] می باشد . استریپر یک مبدل از نوع پوسته لوله عمودی می باشد که بخار فشار متوسط درون شل این مبدل برقرار است. درون تیوب های این مبدل از بالا محصولات فرایندی خروجی از راکتور سنتز اوره به صورت یک فیلم مایع ریزان به سمت پائین جریان می یابد و جریان گاز دی اکسید کربن از پائین تیوب ها به سمت بالا در تماس متقابل با فیلم مایع ریزان قرار می گیرد . گاز دی اکسید کربن خروجی از بالای استریپر ،غنی از آمونیاک حاصل از تبخیر سطحی فیلم مایع ریزان و همچنین شکستن کمپلکس کربامات آمونیوم می باشد. فیلم مایع ریزان هر چقدر به پائین استریپر نزدیک می شود غلظت دی اکسید کربن همراه آن کاهش می یابد ( دی اکسید کربن در فاز مایع محلول نمی باشد و تنها به صورت کمپلکس کربامات آمونیوم در محلول وجود دارد . در واقع منظور از کاهش غلظت دی اکسید کربن در محلول اوره کاهش غلظت کربامات آمونیوم می باشد ). توزیع مایع داخل تیوب ها از طریق قطعات خاصی به نام لیکوید دیوایدر[3] صورت می پذرید. هر چقدر توزیع فیلم مایع درون تیوب ها یکنواخت تر و ضخامت فیلم مایع کمتر باشد عملکرد و بازدهی استریپر بالاتر خواهد بود.

شکل شماره 1 : تقسیم کننده های جریان مایع

گاز خروجی از بالای استریپر جهت کندانسیشن گاز آمونیاک و دی اکسید کربن و تولید کربامات و اوره وارد پول کندانسور[4] می شود. استریپر اوره در واقع ستون اساسی واحد تولید اوره می باشد و عملکرد مناسب آن تضمین کننده تولید مستمر و بهبود بازدهی تولید اوره می باشد. محصولات تولیدی حاصل از واکنش بعد از خروج از راکتور جهت تجزیه کاربامات و خالص سازی اوره به داخل تیوب های استریپر فرستاده میشود.

جهت  شکستن کاربامات همراه محصول خروجی از راکتور از بخار فشار متوسط ( 20.3 بار ) استفاده می شود . استریپر پر فشار ترین تجهیز حلقه تولید سنتز می باشد. فشار داخل تیوب های استریپر در حدود 143 بار و فشار در قسمت شل استریپر حدود 20.3 بار می باشد. دمای بالای استریپر حدود 182 درجه سانتی گراد و دمای پایین استریپر حدود 172 درجه سانتی گراد می باشد. در این دما حدود هشتاد درصد از کاربامات موجود در محلول تجزیه می شود و مابقی کاربامات موجود در قسمت بازیابی فشار متوسط LP تجزیه می گردد. آب همراه محلول اوره نیز در برج رکتیفایر و دو تبخیر کننده از محلول اوره جدا می شود. واکنش تجزیه کربامات آمونیوم به صورت زیر می باشد:

نکته ای که از رابطه بالا می توان استنباط کرد این است که کاهش فشار و افزایش دما باعث افزایش شکستن کربامات می شود.

شکل شماره 2 : حلقه سنتز اوره

شکل شماره 3 : جریان های ورودی و خروجی استریپر

شکل شماره 4: شماتیک کلی استریپر اوره

شکل شماره 5 : نحوه ورود گاز دی اکسید کربن به داخل تیوب های استریپر و صفحه تقسیم کننده جریان گاز

• حادثه نشت در اثر رپچر تیوب های استریپر

بررسی سابقه استریپر واحد اوره این پتروشیمی نشان می دهد که این تجهیز قبلا نیز به دلیل پارگی یکی از تیوب ها منجر به توقف تولید و از سرویس خارج کردن واحد به صورت اضطراری گردیده است. در حال حاضر دو عدد از تیوب های استریپر مذکور پلاگ شده و چند تیوب دیگر دچار کاهش ضخامت گردیده و نیاز به تعویض در اسرع وقت دارند. خوردگی عمومی بیشتر در قسمت بالایی تیوب ها مشاهده می گردد. استریپر اوره مذکور به مدت تقریبا 16 سال مورد بهره برداری قرار گرفته است. تجزیه در فشار بالا نیازمند دمای بالا نیز می باشد که منجر به تشکیل بیوره بیشتر و همچنین خاصیت خورندگی بیشتر محلول فرایندی می گردد. استفاده از آلیاژهای مناسب تا حدودی از این خوردگی جلوگیری می کند. همچنین برای جلوگیری از خوردگی در استریپر و دیگر تجهیزات سنتز از هوای پسیویشن[5] ( غیر فعال سازی ، روئین کننده) استفاده می شود که این هوای اضافی با تناژ حدود 2 تن بر ساعت به ورودی کمپرسور اضافه می شود و میزان تناژ آن به نحوی کنترل می شود که میزان اکسیژن همراه دی اکسید کربن در خروجی راکتور دی هیدروژناسیون حدود 0.6 درصد باشد . هوای پسیویشن  باعث بالا بردن سطح پتانسیل شیمیایی شده و باعث می گردد لایه پسیو سریعاً تشکیل شود و این لایه باعث جلوگیری از خوردگی توسط کاربامات می گردد. هوای غیر فعال سازی خوردگی به صورت یک لایه محافظ بر روی سطح استنلس استیل[6] داخل تیوب های استریپر و دیگر تجهیزات سنتز قرار می گیرد و از خوردگی فلز توسط کربامات و دیگر مواد خورنده فرایندی جلوگیری می کند. یکی از بزرگترین عوامل بالا رفتن نرخ خوردگی در استریپر افزایش دما می باشد که دماهای بالا باعث جداشدن لایه پسیو از سطح فلز شده و نرخ خوردگی به شدت افزایش پیدا می کند. همچنین رعایت نکردن نرخ افزایش و کاهش دما در زمان گرمایش و همچنین سردسازی تجهیز نیز عامل آسیب به تیوب ها می باشد ( بنا بر توصیه سازنده رنج مناسب افزایش دما 30 درجه سانتی گراد بر ساعت می باشد )

اولین چیزی که در مورد خوردگی استریپر به ذهن خطور می کند این است که خوردگی و به تبع آن نشتی بیشتر در کدام قسمت می تواند رخ دهد. سه سطح بیشترین تماس را با کاربامات خورنده دارند:

1. تیوب شیت
2. خود تیوب ها
3. محل اتصال تیوب ها به تیوب شیت

شکل شماره 6 : پارامتر های فرایندی و کنترلی استریپر اوره

کندانس های خروجی از شل استریپر درون استیم درام مرتبط با آن جمع می شود. بر روی خروجی این درام یک آنالایزر آنلاین جهت سنجش کانداکتیویتی استیم کندانس خروجی نصب گشته که در صورت بروز هر گونه نشتی احتمالی در تیوب های استریپر یا تیوب شیت ها با بالا رفتن کانداکت در خروجی کندانس های استریپر بتوان سریعا متوجه نشتی شد. مانیتورینگ و نظارت دائمی بر این آنالایزر و نظارت بر میزان افزایش کانداکت بسیار مهم می باشد و میتوان با سنجش میزان افزایش کانداکت به میزان وسعت نشتی احتمالی پی برد .

شکل شماره 7 : سیستم بخار و کندانس شل استریپر

مشخصات ساخت استریپر واحد اوره :

• دلایل مهم نشتی در استریپر :

دلیل اصلی نشتی در وحله اول می تواند عمر بالای تجهیزات باشد. دلیل دوم نشتی می تواند بالا رفتن دما خارج از محدوده نرمال و افزایش شدید نرخ خوردگی باشد. دلیل سوم نشتی می تواند مقدار کم هوای پسیویشن یا قطع موقت هوا در مقاطعی از بهره برداری به دلیل مشکلات فنی باشد . دلیل چهارم نشتی هم می تواند مربوط به فولینگ[7] و رسوب گیری قسمت داخلی تیوب های استریپر باشد. همچنین گشاد شدن سوراخ های لیکوید دیوایدرها و توزیع نامتوازن فیلم ریزان مایع نیز می تواند عامل خوردگی باشد. افزایش ضخامت فیلم مایع می تواند مانع از رسیدن اکسیژن به سطح تیوب ها و به تبع آن افزایش نرخ خوردگی باشد .

• نحوه تشخیص نشتی و تغییر پارامترهای مهم در زمان وقوع رپچر

اولین تغییر مشاهده شده در زمان وقوع رپچر تیوب استریپر عمل کردن PSV مربوط به استیم درام مرتبط با استریپر بر روی فشار 26 بار بود. معمولا این PSV زمانی عمل می کند که شما تغییرات ناگهانی در مصرف بخار توسط استریپر داشته باشید و بنا بر تجارب قبلی اگر لول راکتور خالی شود و جریان محلول فرایندی به سمت استریپر قطع شود مصرف بخار توسط استریپر جهت عملیات استریپینگ شدیداً کاهش پیدا کرده و منجر به فشار گرفتن استیم درام مرتبط با آن و عمل کردن PSV مربوطه در سمت بخار شود. اما در این مورد خاص در زمان عمل کردن PSV لول راکتور و لول قسمت پائین استریپر هر دو در رنج نرمال قرار داشتند . تا این زمان هنوز تغییر خاصی در کانداکت استیم کندانس خروجی از شل استریپر مشاهده نشده بود . بنابراین نفرات اتاق کنترل در مورد رپچر کردن تیوب های استریپر هنوز به اطمینان نرسیده بودند .

شکل شماره 8 : افزایش ناگهانی فشار استیم دارم استریپر

دومین تغییر مشاهده شده افزایش ناگهانی فلوی دی اکسید کربن ورودی به استریپر بود . این فلو در حالت نرمال و در ظرفیت 102 درصد روز حادثه حدود 62 تن بر ساعت بود که به صورت یکباره و بدون تغییر در پارامترهای کنترلی کمپرسور دی اکسید کربن تا 67 تن بر ساعت افزایش یافت که نشان دهنده فرار گاز دی اکسید کربن به ناحیه کم فشارتری نسبت به مسیر نرمال در نظر گرفته شده فرایندی یعنی طی کردن تیوب های استریپر به سمت بالا و ورود به پول کندانسور بود .

شکل شماره 9 : افزایش ناگهانی فلوی تزریق دی اکسید کربن

سومین اتفاق مشاهده شده افزایش یک باره کانداکت اندازه گیری شده خروجی از شل استریپر بود . کانداکت در حالت نرمال اعدادی حدود 5Ms را دارا می باشد اما در زمان اتفاق مذکور کانداکت ابتدا به صورت یک پیک متوسط تا حدود 20 و سپس افزایش ناگهانی تا اعداد حدود 500Ms را نشان داد. دلیل تاخیر در بالا رفتن کانداکت را می توان به زمان اقامت کندانس جمع آوری شده در استیم درام مربوط به استریپر دانست. چرا که کانداکت در خروجی استیم درام اندازه گیری می شود. اگر امکان تغییر  محل نصب آنالایزر سنجش کانداکت بر روی مسیر خروجی کندانس از استریپر می بود امکان مشاهده خیلی سریعتر افزایش کانداکت توسط آنالایزر مهیا می بود.

 شکل شماره 10 : افزایش یکباره کانداکت استیم کندانس خروجی شل استریپر

اتفاق بعدی مشاهده شده از دست رفتن لول راکتور به صورت یک باره با روند کاهشی بسیار شدید بود که می توان علت این اتفاق را کاهش شدید فشار داخل استریپر به دلیل فرار دی اکسید کربن به داخل شل استریپر دانست. در این حالت با ثابت بودن ولو خروجی راکتور به دلیل اختلاف فشار بالای راکتور در مقایسه با فشار داخل استریپر مانند این است که شما کنترل ولوی را به یکباره کامل باز کنید. جریان خروجی از ولو تابعی از اختلاف فشار دو سر ولو می باشد.

شکل شماره 11 : از د ست رفتن لول راکتور با ریت کاهشی شدید

پس از مشاهده این سلسه تغییرات فوق در مدت زمانی کوتاه و به صورت زنجیر وار و همچنین چک درین استیم کندانس خروجی از درام مرتبط با استریپر که با باز کردن مقداری از درین خروجی مشخص شد که بوی کربامات آمونیوم حس می شود. نفرات حاضر در اتاق کنترل به این جمع بندی رسیدند که احتمالا یک یا چند عدد از تیوب های استریپر دچار رپچر و نشتی گردیده است. با هماهنگی با سرپرست شیفت و ریاست واحد و کشیک ارشد مجتمع واحد به صورت اضطراری از سرویس خارج گردید. جهت جلوگیری از آلودگی شبکه بخار سریعاً مسیرهای بخار خروجی از واحد بسته و ایزوله گردید.

میزان نشتی در حادثه اخیر در این پتروشیمی به حدی بود که بخار ورودی به استریپر تقریبا قطع گردید و استیم درام مرتبط با استریپر تا حدود 26 بار که فشار عملکرد PSV آن می باشد فشار گرفت. لازم به ذکر است که تجهیز استریپر به کار رفته در این مجتمع دارای رپچر دیسک[8] جهت ایمنی بیشتر تجهیز می باشد که در فشار عملکردی حدود 30 بار سبب تخلیه فشار اضافی تجهیز به مسیر ایمن در نظر گرفته شده می شود که خوشبختانه پس از عملکرد PSV و اقدامات کنترلی انجام شده توسط پرسنل اتاق کنترل مانع از رسیدن فشار به محدوده عملکرد رپچر دیسک گردید تا خسارات وارد شده به تجهیز کاهش یابد و عملیات تعمیرات سریعتر انجام شود و توقف تولید تا حد ممکن کاهش یابد. پس از توقف واحد اوره، قسمت سنتز به صورت کامل درین گردید و بعد از حدود 24 ساعت تجهیز برای باز کردن منهول بالا و پائین و انجام کارهای تعمیرات تحویل همکاران تعمیرات گردید. پس از خنک سازی تجهیز ابتدا کپ بالا و پائین استریپر باز شد و سپس جهت شناسایی تیوب های معیوب احتمالی شل استریپر کاملاً با کندانس پر شد. پس از انجام لول گیری برای شل استریپر، یک عدد تیوب دارای نشتی تشخیص داده شد . در ابتدا بوسیله یک پلاگ تفلونی بصورت موقت پلاگ شد و مجددا عملیات لول گیری تا بالاترین قسمت شل استریپر ادامه پیدا کرد که خوشبختانه نشتی دیگری مشاهده نگردید .سپس تخلیه کندانس شل استریپر آغاز شد و پس از تخلیه کامل عملیات باز کردن Hold Down Plate شماره 1 و لیکوید دیوایدر های قسمت مورد نظر شروع شد . در ادامه قبل از پلاگ کردن تیوب معیوب ابتدا عملیات Video Scope چک از تیوب معیوب انجام شد که مشاهده گردید تیوب در ارتفاع 1.5 متری از بالا به طور کامل رپچر نموده و حدود ده سانتی متر از تیوب کاملاً از بین رفته است . در این خصوص مکانیزم تخریب Loose Thinning و کاهش ضخامت بوده است که به دلیل کاهش استحکام مکانیکی امکان تحمل فشار بالای سنتز اوره توسط تیوب مقدور نبوده و رپچر در تیوب اتفاق افتاده است. بنا بر مکاتبات انجام شده با شرکت سازنده[9] تجهیز خوردگی بیشتر در قسمت بالایی تیوب ها رخ می دهد جایی که فلز در بالاترین دما در تماس با بیشترین غلظت مواد خورنده قرار می گیرد و همچنین خوردگی در تیوب مذکور می تواند مربوط به تنش های حرارتی قبلی نیز باشد. در ادامه عملیات پلاگ کردن و Seal weld  آن انجام شد. پس از پایان عملیات جوشکاری ،تست نشت یابی Leak test  مبدل با فشار 2 بار ازت انجام شد و پس از دوبار تکرار آن ( به جهت Repair  جوش پلاگ پائینی ) سرانجام مورد تایید قرار گرفت. پس از صدورم مجوز Box up و بستن کپ ها ، تجهیز جهت بهره بردای آماده شد .

شکل شماره 12 : رپچر شدید و تخریب کامل قسمتی از تیوب استریپر

 جدول زمانی تعمیرات در زیر آورده شده است :

در مجموع حدوداً سه روز تولید متوقف و کارهای تعمیراتی انجام گرفت. خوشبختانه در حین اتفاق و کارهای تعمیرات مشکلی از لحاظ ایمنی و سلامت برای هیچکدام از نفرات به وجود نیامد و آسیبی به تجهیزات دیگر وارد نشد. پس از پایان عملیات تعمیرات شرکت مجددا در مدار تولید قرار گرفت.

  پیشنهادات :

1.انجام ضخامت سنجی به روش ادی کارنت در اولین اورهال پیش رو

2.تست و بررسی تمام لیکوید دیوایدرها و سنجش قطر سوراخ های لیکوید دیوایدر

3. پلاگ کردن تیوب های دارای ضخامت کمتر از استاندارد

4. سفارش استریپر با متریال safurex برای جایگزینی در صورت افزایش تعداد تیوب های آسیب پذیر

منابع :

1. Stamicarbon – www.stamicarbon.com
2. Urea know how – https://ureaknowhow.com/
3. Urea Stripper Tube Leakage, March 2018, International Journal of Engineering Research and 7(3), DOI:10.17577/IJERTV7IS030090

[1] STAMICARBON-https://www.stamicarbon.com/

[2] High pressure stripper

[3] Liquid dividers

[4] Pool condenser

[5] Passivation Air

[6] stainless steel

[7] Fouling

[8] rupture disc

[9] Stamicarbon -Mr. Leon postma