青海云天化國(guó)際化肥有限公司現(xiàn)有兩期年產(chǎn)30 萬(wàn) t 尿素裝置，采用傳統(tǒng)二氧化碳汽提法工藝。一、二期尿素裝置分別于 2010 年、2011 年建成投產(chǎn)。裝置主要包括液氨系統(tǒng)和脫氫系統(tǒng)、高壓合成系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、水解系統(tǒng)、尿液蒸發(fā)、高塔造粒系統(tǒng)等。單套裝置現(xiàn)有 30 余臺(tái)液位檢測(cè)儀表，包括隔膜密封式單/雙法蘭液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、放射性液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)等。其中，隔膜密封式雙法蘭液位計(jì)占比為 30% ，使用范圍較廣。
1 雙法蘭液位計(jì)測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)組成
雙法蘭液位計(jì)由差壓變送器、含硅油毛細(xì)管、隔膜密封的雙法蘭組成。當(dāng)高壓、低壓側(cè)感受到壓力后密封膜片會(huì)產(chǎn)生微小變形，通過(guò)毛細(xì)管內(nèi)的硅油將壓力傳遞給差壓變送器。
P = ρgh ( 1)
其中，P 為壓強(qiáng)，ρ 為介質(zhì)密度，g 為重力加速度，h 為液位高度。根據(jù)( 1) 式，當(dāng)差壓變送器測(cè)算出高壓、低壓側(cè)法蘭之間的壓差后，可通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到對(duì)應(yīng)的液位高度。
2 故障原因分析及改進(jìn)
2. 1 腐蝕
2． 1． 1 原因分析
尿素裝置受高溫、高壓影響，尿素、甲銨液、液氨、二氧化碳、冷凝液和蒸汽等介質(zhì)會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕。雙法蘭液位計(jì)測(cè)量膜片材質(zhì)為不銹鋼、合金以及稀有金屬材料，膜片厚度為 0. 4 ～ 0. 5mm。因材質(zhì)選型不當(dāng)，極易腐蝕膜片，以精餾塔雙法蘭液位計(jì)為例，分析膜片損壞的原因。原設(shè)計(jì)精餾塔雙法蘭液位計(jì)測(cè)量膜片材質(zhì)為316L，采用插入式結(jié)構(gòu)，插入長(zhǎng)度為 150 mm。每次雙法蘭液位計(jì)損壞的原因都是低壓側(cè)膜片與筒體邊緣焊接部位發(fā)生腐蝕開(kāi)裂，而高壓側(cè)膜片卻完好，甚至低壓側(cè)膜片配對(duì)法蘭出現(xiàn)腐蝕情況。高壓側(cè)膜片位于精餾塔尿液出口管上，低壓側(cè)膜片位于精餾塔分離段上部。精餾塔液位控制在 15% ～ 20% ，低壓側(cè)膜片長(zhǎng)期處于氣相介質(zhì)中，高壓側(cè)膜片處于液相介質(zhì)中。精餾塔將溶于汽提液中的部分二氧化碳和氨氣通過(guò)加熱和減壓的方法分離出來(lái)，以達(dá)到提濃的目的。當(dāng)壓力越低、溫度越高，分離出來(lái)的二氧化碳和氨氣越多。二氧化碳和氨氣極易在氣相膜片上形成結(jié)晶物，破壞膜片鈍化層。氣相溫度比液相溫度更高，則腐蝕速率越快，膜片減薄速度越快。
插入式膜片和筒體焊接采用電阻焊 + 非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊( TIG) 方式，焊縫處較為薄弱。因氣相壓力波動(dòng)頻繁，膜片受到的應(yīng)力隨之變化，加之插入式膜片容易受到氣相介質(zhì)流動(dòng)沖刷的作用，焊縫處極易發(fā)生機(jī)械撕裂。
2． 1． 2 改進(jìn)措施
為了降低膜片腐蝕速率，將膜片材質(zhì)由 316L改為鉭金屬。為了解決膜片和筒體焊縫處易發(fā)生機(jī)械撕裂的問(wèn)題，將插入式膜片改為平膜片，并在高壓、低壓側(cè)法蘭取壓短接管處增加伴熱措施，以防止二氧化碳和氨氣在氣相膜片上結(jié)晶。改進(jìn)后，雙法蘭液位計(jì)使用周期從 1 a 提升至 4 a。
2. 2 結(jié)晶
2． 2． 1 原因分析
因尿素生產(chǎn)工藝物料在某種特定因素下易發(fā)生局部結(jié)晶現(xiàn)象，幾乎所有雙法蘭液位計(jì)都出現(xiàn)測(cè)量失真故障。其中，以低壓甲銨冷凝器液位槽液位計(jì)結(jié)晶次數(shù)#多。以低壓甲銨冷凝器液位槽液位計(jì)為例，分析膜片結(jié)晶的原因。
原設(shè)計(jì)低壓甲銨冷凝器液位槽雙法蘭液位計(jì)測(cè)量膜片材質(zhì)為鉭金屬，采用插入式結(jié)構(gòu)，插入長(zhǎng)度為 150 mm。每次測(cè)量失真的原因都是低壓側(cè)膜片結(jié)晶，且結(jié)晶的頻率與環(huán)境溫度密切相關(guān)。結(jié)晶往往發(fā)生在冬季，結(jié)晶后必須加熱法蘭外部蒸汽或者人為使液位槽滿液來(lái)融化結(jié)晶物。來(lái)自精餾塔氣相中的二氧化碳和氨氣，與通過(guò)解吸泵送來(lái)的洗滌液、回流泵送來(lái)的回流液一起，通過(guò)低壓甲銨冷凝器冷凝吸收，冷凝后的氣液混合物通過(guò)連接管進(jìn)入低壓甲銨冷凝器液位槽氣液分離。低壓側(cè)膜片與分離出的氣相介質(zhì)直接接觸，隨甲銨液濃度的升高和環(huán)境溫度的降低，氣相介質(zhì)會(huì)逐漸在低壓側(cè)膜片上形成結(jié)晶物。
2． 2． 2 改進(jìn)措施
2020 年 4 月，將液位計(jì)高壓、低壓側(cè)法蘭短接管處的不銹鋼伴熱管改為夾套伴熱，以提高熱量。改造后，結(jié)晶頻率明顯降低，但隨氣溫下降結(jié)晶情況仍會(huì)出現(xiàn)。
2021 年 1 月裝置大修，其間在液位槽北側(cè)新增 1 臺(tái)相同規(guī)格的雙法蘭液位計(jì)。2 臺(tái)液位計(jì)膜片結(jié)晶存在時(shí)間差，故改造后任何時(shí)間都能保證有 1 臺(tái)液位計(jì)始終處于完好狀態(tài)。
2022 年大修期間，重新更換低壓甲銨冷凝器液位槽保溫系統(tǒng)，減少了液位槽的熱量損失。改造后，裝置運(yùn)行 1 個(gè)月未出現(xiàn)結(jié)晶情況。
2. 3 高真空
2． 3． 1 原因分析
在尿素生產(chǎn)過(guò)程中，二段蒸發(fā)分離器的液位測(cè)量是在高真空環(huán)境下進(jìn)行的。原設(shè)計(jì)二段蒸發(fā)分離器為單法蘭液位變送器，高壓側(cè)安裝于分離器下液管，低壓側(cè)通過(guò)引壓管在分離器頂部絕壓表引壓管處焊接三通后進(jìn)行取壓，高壓、低壓取壓點(diǎn)相對(duì)高差 20 m 左右。分離器內(nèi)分離出的不凝氣、分離器滿液等狀況都會(huì)引起引壓管結(jié)晶，造成堵塞，該工況下引壓管方式并不適用。
2018 年 12 月，通過(guò)技術(shù)改造將二段蒸發(fā)分離器液位計(jì)改為插入式雙法蘭液位計(jì)。高壓側(cè)安裝位置未做改動(dòng)，低壓側(cè)取壓點(diǎn)改到分離器下液管視鏡上方大約 1 m 處的位置，高壓、低壓取壓點(diǎn)相對(duì)高差 8 m 左右。改造后，二段蒸發(fā)分離器液位計(jì)使用效果較好。但是，6 個(gè)月后二段蒸發(fā)分離器突然出現(xiàn)測(cè)量失真的情況。拆檢該雙法蘭液位計(jì)后發(fā)現(xiàn)，高壓、低壓側(cè)膜片均已變形破損，分析認(rèn)為該液位計(jì)膜片采用插入式結(jié)構(gòu)，在高真空環(huán)境下受管道高速流動(dòng)介質(zhì)沖刷作用，導(dǎo)致膜片變形破損。
2． 3． 2 改進(jìn)措施
在高壓側(cè)安裝平膜片單法蘭壓力變送器，將高壓側(cè)壓力測(cè)量值信號(hào)引至 DCS，低壓側(cè)壓力由分離器頂部絕壓表( PT-2404) 測(cè)量。由此計(jì)算出差壓值，并通過(guò)量程轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的液位。該測(cè)量方式運(yùn)行效果好，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)液位。
3 結(jié)語(yǔ)
分析總結(jié)雙法蘭液位計(jì)出現(xiàn)的故障原因，#大限度地提升儀表的使用周期，減少故障率，保證裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)儀表選型或者日常故障處理有一定的借鑒和參考價(jià)值。
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