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酸性水單塔低壓汽提塔頂空冷器腐蝕原因分析和對策

2022-05-30 16:34:21 作者：化工活動家來源：化工活動家分享至：

導讀

酸性水單塔低壓汽提裝置以上游各裝置來的酸性水為原料，經脫氣、脫油、換熱后進入汽提塔上部，汽提塔頂酸性氣經空冷器冷卻后，進入塔頂回流罐，不凝的酸性氣送至硫磺回收裝置，凝液返塔回流。

某酸性水汽提（SWS）裝置的原料主要組分是H2O，NH3，H2S和CO2，采用單塔低壓汽提工藝，其塔頂酸性氣溫度114~120℃，操作壓力約0.13MPa。該裝置空冷器管束材質選用耐腐蝕性較好的316L不銹鋼（SS），管束使用一年左右后被腐蝕減薄，發生泄漏。

腐蝕類型分析

在1標準大氣壓，40℃時，NH3，H2S，CO2的溶解度分別是307，2.4，1g/L。而實際化驗酸性水，發現H2S+CO2與NH3的摩爾濃度比接近1。經分析，該類酸性水中NH3和H2S大部分以NH4HS或NH4HCO3的形式存在，其pH值一般在7~9。H2S，CO2和NH3的溶解度隨著溫度降低而增大，故當其隨蒸汽進入SWS塔頂空冷器，隨著溫度的降低，溶液中離子的濃度將快速增加而加速腐蝕空冷器管道。酸性水單塔低壓汽提裝置塔頂空冷器的腐蝕主要為濕H2S損傷（鼓泡/氫致開裂HIC/應力引發的氫致開裂SOHIC/硫化物應力腐蝕開裂SSC），NH4HS腐蝕、磨蝕/磨蝕-腐蝕、鈦氫化，腐蝕類型示意見圖1。

該SWS裝置空冷器材料為316LSS，因此不存在鈦氫化腐蝕，主要腐蝕應是濕H2S損傷和NH4HS腐蝕，及一定的化學腐蝕和沖刷腐蝕。

腐蝕原因分析

以H2S和NH3質量濃度分別為20g/L和10g/L的原料水為高濃度酸性水（HSW），H2S和NH3質量濃度分別為2g/L和1g/L的原料水為低濃度酸性水（LSW），考察分析該酸性水單塔低壓汽提裝置塔頂空冷器的腐蝕原因。

1 氣相模擬數據

該塔頂壓力恒定，LSW進料時空冷器入口H2S氣相分壓PH2S和NH3氣相分壓PNH3分別為26.0kPa和12.0kPa，HSW進料時空冷器入口PH2S和PNH3分別為40.7kPa和30.1kPa，隨著溫度降低，氣相含水量降低，H2S和NH3的濃度上升。根據相關標準計算得出塔頂空冷器出口溫度對應的PH2S和PNH3及Kp系數（Kp=PH2S×PNH3）（見表1）。

并由Kp系數計算得到NH4HS結晶溫度曲線（見圖2）。

由表1可知，相同溫度下，HSW汽提空冷器出口的PH2S，PNH3及Kp值和LSW相差不大，NH4HS腐蝕風險相當。根據圖2，Kp值增大，NH4HS結晶溫度升高，空冷器出口溫度不變，則更易生成NH4HS結晶。計算得到該SWS塔頂NH4HS結晶溫度約為50℃，考慮設計管壁溫度大于65℃以防止結晶腐蝕。

2 液相模擬數據

表2為塔頂空冷器不同出口溫度下液相中H2S和NH3的質量分數。以液相中H2S和NH3全部轉化為NH4HS計，估算出NH4HS的質量分數。

由表2可知，在空冷器出口溫度相同時，HSW和LSW液相中的NH4HS含量相差不大；隨空冷器出口溫度降低，H2S和NH3的溶解度增大，液相NH4HS含量升高，發生NH4HS溶液化學腐蝕的可能性增大。

3 空冷器換熱效果模擬

表3為HSW和LSW汽提塔頂空冷器管壁溫度模擬計算數據對比。

由表3可知：

①同樣工況下，HSW汽提空冷器出口管壁溫度比LSW汽提約高8℃；

②空冷器管束的管壁溫度沿氣體流動方向逐步降低；

③空氣溫度對空氣管束的管壁溫度有較大影響；

④管內膜傳熱系數隨溫度降低而迅速降低，管外膜傳熱系數和金屬傳熱系數基本不變。

SWS塔頂氣進入空冷器后，溫度降低，水蒸氣飽和蒸氣壓降低，會令水蒸氣冷凝速率急劇降低，導致換熱管內部換熱系數急劇下降。空氣側設有翅片加強了換熱效果，管程和殼程側的換熱系數相差不大。空氣溫度降低，容易出現NH4HS結晶沖刷和溶液化學腐蝕。

4 管道內氣液相流動狀態

表4為計算的HSW汽提和LSW汽提空冷器的出入口流速。

HSW汽提與LSW汽提兩者蒸汽消耗量相差不大，即在空冷器入口氣量相差不大，流速相差不大，均小于兩相流最大允許流速。但LSW汽提空冷器出口氣體流速僅為HSW汽提的1/10。相同溫度下，氣體流速越低，空冷器換熱管內部液體所占體積將越大。在多管程未設置坡度情況下，部分換熱管冷凝水將積聚，無法及時排出，造成嚴重的偏流，使管壁溫度更低，更易形成NH4HS結晶腐蝕。

5 NH4HS溶液對金屬的腐蝕

幾種常用金屬在NH4HS溶液中的腐蝕速率見表5。

大。表5所列幾種常用金屬中，鈦和合金800的NH4HS腐蝕速率最低，耐腐蝕性能最好，鋁和316SS次之，碳鋼最差。溶液中的NH4HS質量分數從35%提至45%時，316SS腐蝕速率從0.01mm/a升高至12.3mm/a，而合金800、鈦和鋁腐蝕速率變化不大。由表2推測空冷器出口溫度65℃時，對應NH4HS質量分數約40%，此時316SS腐蝕速率約為0.12mm/a，即此工況下316系列不銹鋼耐腐蝕性不夠理想。選擇更耐NH4HS腐蝕的材質才能有效防止NH4HS的化學腐蝕。

6 加氫型與非加氫型SWS腐蝕對比

對比多家煉油廠的SWS裝置，發現加氫型SWS空冷器基本沒有腐蝕，而非加氫型SWS空冷器多根換熱管腐蝕穿孔且多為下管排。主要原因分析如下：

①非加氫型SWS空冷器所需冷卻負荷較小，而空冷器設置偏大，管壁溫度低于NH4HS的結晶溫度，導致管束頂部發生NH4HS的結晶沖刷腐蝕和高濃度NH4HS溶液化學腐蝕；

②非加氫型SWS空冷器為多管程空冷器，未設置坡度，使換熱管內部分冷凝水無法及時排出，積聚于下管排，形成高濃度NH4HS溶液化學腐蝕或NH4HS結晶沖刷腐蝕。

防腐蝕措施

結合實際經驗，在不改變工藝流程的情況下，可對SWS空冷器實施如下措施以減緩NH4HS結晶沖刷腐蝕和高濃度NH4HS溶液化學腐蝕。

（1）注水。采取間斷注水或蒸汽加熱措施，降低NH4HS質量分數，防止銨鹽結晶引起的堵塞和腐蝕。

（2）升級材質。最后一個管程采用抗腐蝕性能更好的材質，如鈦、哈氏合金C276或合金800等，減緩NH4HS結晶沖刷腐蝕和高濃度NH4HS溶液化學腐蝕。

（3）提高管壁溫度。換熱管管道對稱布置，防止局部溫度過低；最后一排管排做成低翅化比的鋼管、部分空氣內循環或于空冷器底部增加加熱盤管；空冷器電機采用全部變頻、單臺多個風機并設置百葉窗，保證管束溫度均勻。

（4）控制氣速。控制塔頂管線中氣體的流速在15m/s以下，以減緩沖刷腐蝕；H2S/NH3汽提塔頂冷凝物料的速度控制12m/s以下。

（5）翅片管設置坡度。單管程空冷器管束翅片管應向流體出口方向傾斜，傾斜度最小為10mm/m；多管程空冷器管束的最后一個管程的翅片管應向流體出口方向傾斜，傾斜度最小為10mm/m。該措施可防止液體堵塞換熱管導致換熱溫度不均勻而形成的NH4HS結晶沖刷腐蝕和高濃度NH4HS溶液化學腐蝕管束。

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