青海云天化國際化肥有限公司現(xiàn)有兩期年產(chǎn)30 萬 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 余臺液位檢測儀表，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產(chǎn)生微小變形，通過毛細(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)差壓變送器測算出高壓、低壓側(cè)法蘭之間的壓差后，可通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到對應(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)會對設(shè)備造成腐蝕。雙法蘭液位計(jì)測量膜片材質(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)測量膜片材質(zhì)為316L，采用插入式結(jié)構(gòu)，插入長度為 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)生腐蝕開裂，而高壓側(cè)膜片卻完好，甚至低壓側(cè)膜片配對法蘭出現(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加熱和減壓的方法分離出來，以達(dá)到提濃的目的。當(dāng)壓力越低、溫度越高，分離出來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)測量膜片材質(zhì)為鉭金屬，采用插入式結(jié)構(gòu)，插入長度為 150 mm。每次測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融化結(jié)晶物。來自精餾塔氣相中的二氧化碳和氨氣，與通過解吸泵送來的洗滌液、回流泵送來的回流液一起，通過低壓甲銨冷凝器冷凝吸收，冷凝后的氣液混合物通過連接管進(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)晶情況仍會出現(xiàn)。
2021 年 1 月裝置大修，其間在液位槽北側(cè)新增 1 臺相同規(guī)格的雙法蘭液位計(jì)。2 臺液位計(jì)膜片結(jié)晶存在時間差，故改造后任何時間都能保證有 1 臺液位計(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)過程中，二段蒸發(fā)分離器的液位測量是在高真空環(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，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 個月后二段蒸發(fā)分離器突然出現(xiàn)測量失真的情況。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)壓力測量值信號引至 DCS，低壓側(cè)壓力由分離器頂部絕壓表( PT-2404) 測量。由此計(jì)算出差壓值，并通過量程轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的液位。該測量方式運(yùn)行效果好，可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)液位。
3 結(jié)語
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)長滿優(yōu)運(yùn)行。同時，對儀表選型或者日常故障處理有一定的借鑒和參考價值。
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