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煉油裝置典型冷換設(shè)備腐蝕統(tǒng)計與成因分析

2021-06-16 15:52:59 作者：阿潔來源：設(shè)備管理與防腐分享至：

冷換設(shè)備是煉化企業(yè)使用量最大的一類設(shè)備，其腐蝕泄漏問題是困擾煉油裝置長周期安全運行的一個主要隱患。基于某煉化企業(yè)冷換設(shè)備在１個運行周期及大檢修期間的腐蝕案例，分別從腐蝕類型、腐蝕部位、腐蝕成因等方面對其腐蝕情況進行統(tǒng)計分析，深入研究了冷換設(shè)備的腐蝕成因及主要影響因素，提出了從選材、制造、運行控制、循環(huán)水管理等方面對冷換設(shè)備的防腐進行優(yōu)化的措施，為煉化企業(yè)冷換設(shè)備的腐蝕防護工作提供了有益的借鑒。

近年來，隨著原油的劣質(zhì)化日益加重，原油中所含的硫、酸、氯等腐蝕性雜質(zhì)含量不斷提高，使設(shè)備腐蝕問題成為困擾煉油裝置長周期安全運行的一個主要隱患。冷換設(shè)備是煉油裝置中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，投資占總體工藝設(shè)備投資的1/3以上，同時也是服役環(huán)境最惡劣的設(shè)備之一，經(jīng)常因腐蝕、制造等因素發(fā)生泄漏，尤其是腐蝕泄漏問題，一直困擾著設(shè)備的管理工作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至導(dǎo)致裝置非計劃停工及重大安全事故。

1　典型冷換設(shè)備的腐蝕統(tǒng)計分析

國內(nèi)沿海某煉化企業(yè)1200萬ｔ/ａ原油加工能力，涉及常減壓、催化裂化、加氫裂化、加氫精制、延遲焦化、硫磺回收等１１套煉油裝置，共有冷換設(shè)備457臺。2014年裝置停工大檢修期間，針對401臺冷換設(shè)備進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)存在腐蝕問題的冷換設(shè)備共計73臺，約占18.2％。通過對腐蝕失效的73臺冷換設(shè)備進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，其腐蝕失效涉及的因素不僅與服役環(huán)境有關(guān)，還與設(shè)備材質(zhì)、制造缺陷等密切相關(guān)。按照冷換設(shè)備失效類型進行統(tǒng)計分類（見圖１），可分為均勻減薄、局部腐蝕、開裂、焊接缺陷和機械變形５種。其中與腐蝕相關(guān)的減薄、局部／坑蝕和開裂問題最多，約占失效案例的92％，與制造相關(guān)的約占８％。

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圖１　冷換設(shè)備失效類型統(tǒng)計

注：同１臺換熱器可能同時發(fā)生１種或幾種腐蝕類型，下同。

按照冷換設(shè)備出現(xiàn)腐蝕的部位進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖２所示。冷換設(shè)備的腐蝕主要發(fā)生在管束、管箱、管板、換熱管管口、入口接管和殼體等部位，分別占腐蝕案例的25％、23％、31％、12％、５％和４％。其中發(fā)生在管束、管箱、管板上的最為突出，合計約占腐蝕案例的79％；易導(dǎo)致冷換設(shè)備腐蝕泄漏的部位出現(xiàn)在管束和換熱管管口的案例，合計約占腐蝕案例的1/3。

圖２　腐蝕部位統(tǒng)計

根據(jù)冷換設(shè)備發(fā)生腐蝕失效的成因進行初步歸納分析，主要分為工藝介質(zhì)腐蝕、循環(huán)水腐蝕、焊接及施工質(zhì)量問題和選材等級低等４大類，如圖３所示。其中由工藝介質(zhì)導(dǎo)致的腐蝕失效問題最多，約占總腐蝕案例的45％；其次是因循環(huán)水腐蝕導(dǎo)致的失效，約占40％；焊接及施工質(zhì)量問題約占10％；選材等級低問題約占5％。

2 冷換設(shè)備的腐蝕成因分析

工藝介質(zhì)腐蝕

工藝介質(zhì)，主要是指油品、油氣等工藝物流。由于油品發(fā)生高溫分解、加氫、裂解等反應(yīng)，因此工藝介質(zhì)中除了含有石油產(chǎn)品外，還含有硫、硫化氫、氯化氫、氨氮等腐蝕性物質(zhì)。這些腐蝕性物質(zhì)會對冷換設(shè)備產(chǎn)生HCl-H2S-H2O腐蝕、高溫硫腐蝕、高溫環(huán)烷酸腐蝕、氯化銨結(jié)垢及垢下腐蝕等。腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為均勻腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕、沖刷腐蝕、開裂等，詳見圖１的統(tǒng)計。原油－常頂油氣換熱器（Ｅ101/Ｅ201/Ｅ301／Ｅ401）為并列的４臺換熱器，2009年４月投用。該換熱器管程介質(zhì)為常頂油氣，操作溫度（進出口溫度）１１８～９３℃，管束材質(zhì)為ＴＡ１，管板材質(zhì)為１６ＭｎⅣ＋ＴＡ１；殼程介質(zhì)為原油，操作溫度（進出口溫度）40～60℃，筒體和封頭材質(zhì)為16ＭｎＲ（自GB713—2008標(biāo)準(zhǔn)起牌號更新為Q345R，下同）。

檢修期間發(fā)現(xiàn)，管箱內(nèi)壁污垢、銹蝕較重，隔板及基體布滿蝕坑，隔板中部存在明顯的沖刷腐蝕減薄現(xiàn)象。從測厚情況看，Ｅ201管箱隔板沖蝕部位區(qū)域測厚值為10.14～10.37ｍｍ，其余部位為15.45～15.51ｍｍ；Ｅ301管箱隔板沖蝕部位區(qū)

域測厚值為9.51～10.02ｍｍ，其余部位為15.32～15.57ｍｍ；Ｅ401管箱隔板沖蝕部位區(qū)域測厚值為6.92～7.12ｍｍ，其余部位為13.95～15.51ｍｍ。管/箱出入口接管（光譜材質(zhì)檢測為317Ｌ）表面存在裂紋（見圖４）。

為分析腐蝕原因，與現(xiàn)場工作人員進行交流發(fā)現(xiàn)，因油品性質(zhì)變輕，2011年對常減壓裝置進行了擴容原油適應(yīng)性改造。改造后，常壓塔頂（簡稱常頂）負(fù)荷高于設(shè)計值，具體為：設(shè)計流量102ｔ/ｈ，實際流量126ｔ/ｈ；設(shè)計流速22ｍ／ｓ，計算最大塔頂流速達到27ｍ／ｓ。高流速的常頂油氣加上腐蝕介質(zhì)會對管箱造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕，且高流速、高剪切力會破壞已經(jīng)形成的緩釋劑保護膜，使金屬裸露，加速腐蝕。另外，此部位的常頂注水點設(shè)置在Ｅ101/Ｅ201/Ｅ301／Ｅ４01管箱入口法蘭上部管線，而緩蝕劑與中和劑注入點在常頂，注水后時間太短，中和劑不能充分與生成的鹽酸反應(yīng)；而且通過模擬，最優(yōu)操作時，注水后液態(tài)水也只有５％，量明顯不足。這就導(dǎo)致了HCl-H2S-H2O腐蝕環(huán)境的形成，進而造成奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。

循環(huán)水介質(zhì)腐蝕

隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，循環(huán)水濃縮倍數(shù)不斷提高，回用污水后水質(zhì)狀況日益變差，導(dǎo)致裝置循環(huán)水側(cè)的腐蝕和結(jié)垢問題日益突出。循環(huán)水的水質(zhì)狀況對水冷器的腐蝕影響較大，主要因為循環(huán)水中雜質(zhì)含量較多，同時存在大量粘泥，容易在金屬表面結(jié)垢，產(chǎn)生垢下腐蝕，造成管子出現(xiàn)蝕坑、穿孔。另外，如果循環(huán)水中存在一定量的氯離子，則會造成不銹鋼管束點蝕，甚至引起奧氏體不銹鋼管束開裂。根據(jù)圖３的腐蝕成因統(tǒng)計分析可見，循環(huán)水造成的冷換設(shè)備腐蝕占總體的４０％。

圖４　換熱器Ｅ101/Ｅ201/Ｅ301／Ｅ401腐蝕宏觀形貌

催化分餾塔頂油氣冷凝器Ｅ203ＡＢＣＤ管程為循環(huán)水。因循環(huán)水中微生物控制不力，導(dǎo)致細(xì)菌大量繁殖，形成粘泥，吸附水中灰分，附著在設(shè)備壁上，產(chǎn)生粘泥下腐蝕和結(jié)垢腐蝕，同時，又因換熱器結(jié)構(gòu)不合理，在管子與管板的連接處產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力，從而造成４臺換熱器的管板腐蝕嚴(yán)重且存在開裂現(xiàn)象（見圖５和圖６）。

圖５?。?03Ｄ管板腐蝕開裂形貌

圖６?。牛玻埃常凉馨蹇游g及焊縫開裂形貌

脫硫聯(lián)合裝置循環(huán)堿液冷卻器Ｅ505Ａ，管程為循環(huán)水，管束多處出現(xiàn)腐蝕穿孔，穿孔處位于殼程進料口一側(cè)、導(dǎo)流筒和管板之間。對管束進行測厚，結(jié)果顯示，穿孔處附近厚度為1.5ｍｍ，未穿孔處為2.3ｍｍ。內(nèi)窺鏡觀察發(fā)現(xiàn)，其管束內(nèi)壁有片層狀垢物（見圖７）。

圖７　循環(huán)堿液冷卻器Ｅ５０５Ａ管束穿孔

加氫低分氣冷卻器Ｅ102，管程為循環(huán)水，管箱和管板表面結(jié)硬質(zhì)黃褐色垢物，垢下為紅棕色鐵銹，環(huán)焊縫點蝕坑深度達0.5ｍｍ（見圖８）。

圖８　加氫低分氣冷卻器Ｅ-102管板點蝕形貌

脫硫聯(lián)合裝置再生塔頂冷凝器Ｅ302ＡＢ，操作介質(zhì)為循環(huán)水／貧液，管束材質(zhì)為００Ｃｒ17Ｎｉ14Ｍｏ２，筒體和封頭材質(zhì)為１６ＭｎＲ＋３１６Ｌ。檢修發(fā)現(xiàn)，管箱內(nèi)結(jié)黃褐色硬質(zhì)垢，垢下點蝕坑深度達0.2～0.4ｍｍ（見圖９）

圖９?。牛常埃玻粒鹿芟涓g形貌

制造／設(shè)計缺陷

根據(jù)圖３的統(tǒng)計，因焊接、施工質(zhì)量、設(shè)計缺陷（包括選材等級低）造成的換熱器腐蝕大概占15％。換熱器在制造、安裝或運輸過程中，因制造和施工質(zhì)量的低劣或不穩(wěn)定，以及運輸過程中的不文明操作，造成焊接質(zhì)量不合格，涂層存在針孔、漏涂、磨損，設(shè)備出現(xiàn)凹坑、局部擦傷、擠壓等，這些缺陷可導(dǎo)致腐蝕的加劇，容易導(dǎo)致泄漏發(fā)生。在此次檢維修的過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)生在焊縫處的腐蝕較多，比如多處出現(xiàn)換熱管管口、管板焊縫開裂，同時還發(fā)現(xiàn)管箱密封面處焊縫缺陷（見圖１０～圖１３）。

圖１０　原油－減一中油換熱器Ｅ２０４Ａ管頭焊縫腐蝕

圖１１　原油－常頂循換熱器Ｅ３０２管板熱影響區(qū)裂紋

圖１２　脫鹽油－減二中Ｅ406Ａ換熱器管箱密封面處焊縫缺陷

圖13　頂循環(huán)油－熱水換熱器Ｅ204Ｄ管箱焊縫缺陷

另外，換熱器的壽命與選材相關(guān)性很大。換熱器的選材原則上既要滿足工藝過程的要求，又要滿足強度要求和制造工藝要求，所以要根據(jù)不同介質(zhì)和工藝，選擇合適的金屬材料。此次檢修過程中，發(fā)現(xiàn)４臺換熱器因選材等級偏低造成了嚴(yán)重腐蝕。

3 冷換設(shè)備的防護措施

　材料／制造

設(shè)備的制造和選材是設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，將直接影響設(shè)備的使用壽命、安全性以及成本。所以一定要嚴(yán)把冷換設(shè)備的制造質(zhì)量，并保證焊接、施工質(zhì)量。施工過程中，應(yīng)文明操作，避免擠壓、擦傷等。采用耐蝕涂層時，確保涂層質(zhì)量沒有缺陷，并注意開、停工過程的蒸汽吹掃，防止涂料失效。

針對高溫部位，要防止高溫硫、高溫環(huán)烷酸、高溫氫／硫化氫等的腐蝕。碳鋼及合金鋼在高溫硫、高溫環(huán)烷酸及高溫氫／硫化氫等環(huán)境中的腐蝕速率可參考API RP５８１—２０１６《基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)》，API RP939-Ｃ-2009《避免煉油廠硫腐蝕失效導(dǎo)則》中的Modified McConomy Curves 、Couper-Gorman H2/H2S Curves??；針對低溫部位，要避免碳鋼在濕硫化氫環(huán)境中的損傷。關(guān)于冷換設(shè)備的選材可參照SH/T3219-2012《高酸原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計選材導(dǎo)則》、SH/T3096—2012《高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計選材導(dǎo)則》的有關(guān)規(guī)定，以煉油裝置正常操作條件下原油的硫含量和酸值為依據(jù)，充分考慮最苛刻條件下可能出現(xiàn)的最大硫含量與最高酸值來確定最適用的材料，力求做到所選用的材料經(jīng)濟、可靠和耐用。

　運行控制

根據(jù)國內(nèi)外煉油企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗，對于低溫服役環(huán)境，工藝防腐是關(guān)鍵，尤其是常減壓裝置，如果工藝防腐做得不好，即使材質(zhì)等級很高（如上述案例中常頂換熱器使用鈦材），也避免不了腐蝕。所以針對煉油裝置冷換設(shè)備低溫處，要參照執(zhí)行中國石化《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》實施細(xì)則的相關(guān)要求加強工藝防腐措施。例如，對常減壓蒸餾裝置，控制處理量和原油質(zhì)量在設(shè)計范圍內(nèi)。加強常減壓裝置的“一脫三注”系統(tǒng)操作管理，控制脫后含鹽≤3mg/L、脫后含水≤0.3％、污水含油≤200mg/L?？刂扑斃淠穑?值為5.5～7.5（注有機胺時）、7.0-9.0（注氨水時）、6.5～8.0（有機胺＋氨水）；鐵離子含量≤３ｍｇ／Ｌ?？刂扑攦?nèi)部操作溫度高于水露點溫度１４℃以上、塔頂回流返塔溫度高于９０℃等。針對高溫部位，以設(shè)備材質(zhì)為基礎(chǔ)，對新建或在役煉油裝置制定有針對性的最低設(shè)防值，并按要求嚴(yán)格執(zhí)行。運行期間要加強工藝介質(zhì)化驗分析，禁止超出設(shè)計／設(shè)防值，同時應(yīng)對腐蝕嚴(yán)重部位強化監(jiān)檢測措施并提出材質(zhì)升級方案。

　水冷器防護措施

循環(huán)水管理：根據(jù)中國石化《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》實施細(xì)則管理規(guī)定：

１）循環(huán)冷卻水管程流速不宜小于１。０ｍ／ｓ，當(dāng)循環(huán)冷卻水殼程流速小于０。３ｍ／ｓ時，應(yīng)采取防腐涂層、反向沖洗等措施。循環(huán)冷卻水水冷器出口溫度推薦不超過５０℃。采用超聲波流量計對水冷器水側(cè)進行流速抽查，防止偏流或流速過低。對于結(jié)垢傾向嚴(yán)重的水冷器，可以加設(shè)反沖洗設(shè)施或采用超聲波除垢等技術(shù)。

２）循環(huán)冷卻水水質(zhì)應(yīng)符合GB50050-2017循環(huán)冷卻水水質(zhì)的控制指標(biāo)要求。使用再生水作為補充水應(yīng)符合Q/SH0628.2-2014《水務(wù)管理技術(shù)要求第２部分：循環(huán)水》的要求。

３）緩蝕阻垢劑應(yīng)針對水質(zhì)和工況選擇高效、低毒、化學(xué)穩(wěn)定性和復(fù)配性能好的環(huán)境友好型藥劑。當(dāng)采用含鋅鹽藥劑配方時，循環(huán)冷卻水中鋅鹽含量應(yīng)小于２ｍｇ／Ｌ（以鋅離子計）；循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中有銅合金換熱設(shè)備時，水處理藥劑配方應(yīng)有銅緩蝕劑。

４）循環(huán)冷卻水微生物控制宜以氧化型殺菌劑為主，非氧化型殺菌劑為輔。當(dāng)氧化型殺菌劑連續(xù)投加時，應(yīng)控制余氯量為0.1～0.5ｍｇ／Ｌ；沖擊投加時，宜每天投加２～３次，每次投加時間宜控制水中余氯0.5～１ｍｇ／Ｌ，保持２～３ｈ。非氧化型殺菌劑宜選擇多種交替使用。

５）循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)應(yīng)按照有關(guān)要求進行控制，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)時，可采取增大排污量的方式來調(diào)整；循環(huán)冷卻水出換熱器的溫度控制推薦不超過50℃；各裝置應(yīng)根據(jù)實際情況建立腐蝕監(jiān)檢測系統(tǒng)和腐蝕管理系統(tǒng)，保證生產(chǎn)的安全運行。

水冷器管束防腐

１）升級材質(zhì)

嚴(yán)格控制水冷器管束材料的加工、熱處理工藝，使用更合適的材料，可以有效緩解循環(huán)水結(jié)垢、垢下腐蝕等。目前，大多數(shù)煉廠水冷器管束材質(zhì)以碳鋼為主，對腐蝕嚴(yán)重部位可升級材質(zhì)以提高水冷器的使用壽命。煉化裝置中應(yīng)用較多的高等級水冷器管束材質(zhì)有08Cr2A1Mo、092A1MoRe、０22Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo，雙相鋼、鈦材等。奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性，并且結(jié)垢不易附著管壁表面，使用效果較好，但在使用過程中要嚴(yán)格控制循環(huán)水以及工藝介質(zhì)氯離子的含量。進行材質(zhì)升級時，應(yīng)從介質(zhì)控制、防腐涂料、陰極保護、經(jīng)濟效益等方面綜合考慮。

２）防腐涂料

水冷器管束涂料防腐已廣泛應(yīng)用于煉油裝置的冷換設(shè)備。采用耐腐蝕涂料解決碳鋼換熱器管束的腐蝕與結(jié)垢問題，可取得較好的效果。通過使用性價比較高的防腐涂料，可有效延長水冷器的使用壽命，節(jié)約鋼材，增加經(jīng)濟效益。

３）犧牲陽極用犧牲陽極法對管板和管束進行保護，是防止水冷器在循環(huán)水中腐蝕的重要手段之一。該措施不但可延長碳鋼材料水冷器使用壽命，而且可達到提高防腐效果與降低成本的雙重效果。一般常用的犧牲陽極材料有鋁、鎂、鋅３種，分別適用于不同的腐蝕介質(zhì)。煉廠水冷器的保護宜選擇使用鎂合金犧牲陽極。在使用鎂陽極塊的時候，要做好犧牲陽極規(guī)格的選取、保護面積的計算及安裝位置的確定工作

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