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煉油廠(chǎng)換熱器腐蝕失效預(yù)測(cè)及防控策略，收藏學(xué)習(xí)！

2022-07-26 14:40:39 作者：石油化工設(shè)備維護(hù)與檢修網(wǎng) 來(lái)源：設(shè)備管理與防腐分享至：

導(dǎo) 讀

在石油煉制行業(yè)，石油的一次加工即是常減壓蒸餾。但是，很多常減壓蒸餾裝置從投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，頻繁地發(fā)生腐蝕泄漏等事故，導(dǎo)致非計(jì)劃停工，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也阻礙裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行的目標(biāo)。現(xiàn)階段，從國(guó)外進(jìn)口的原油品質(zhì)越來(lái)越差，氮、硫等雜質(zhì)含量逐漸升高，致使常頂系統(tǒng)冷卻設(shè)備空冷器、換熱器等經(jīng)常發(fā)生銨鹽堵塞、管壁沖蝕穿孔破裂，大大影響了生產(chǎn)任務(wù)的完成。常用的防腐蝕手段是材質(zhì)升級(jí)，或者采用“一脫三注”等方案來(lái)減緩腐蝕，但原料油雜質(zhì)含量升高引發(fā)的腐蝕失效依舊存在。

以某煉化企業(yè)常頂換熱器所在工藝段系統(tǒng)作為研究對(duì)象，進(jìn)行傳熱計(jì)算和工藝分析，預(yù)測(cè)換熱器面臨的腐蝕形式，提出腐蝕防控優(yōu)化方案，以幫助實(shí)現(xiàn)裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。

工藝過(guò)程分析

1 典型工況

ZH換熱器所在常頂系統(tǒng)日常的工藝參數(shù)和操作工況如下：操作壓力通常為0.11MPa，進(jìn)出口溫度分別為126℃和82℃。表1至表5分別為收集的工藝數(shù)據(jù)，用于Aspen仿真計(jì)算。

2 工藝過(guò)程建模仿真

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)元素守恒原則，選用Aspen軟件利用逆推過(guò)程完成常頂系統(tǒng)的工藝建模。將收集到的物料信息、溫度和壓力等操作參數(shù)輸入到模型中，通過(guò)計(jì)算獲取常頂系統(tǒng)各個(gè)裝置內(nèi)部多相流（油、氣、水）具體的組分和詳細(xì)物性參數(shù)。圖1為構(gòu)建的Aspen計(jì)算模型。

常頂換熱器流動(dòng)腐蝕預(yù)測(cè)

ZH常頂系統(tǒng)內(nèi)部冷卻裝置為U型結(jié)構(gòu)的換熱器，管程走低溫原油，殼程走常頂油氣，故不會(huì)面臨沖蝕。下文主要預(yù)測(cè)露點(diǎn)腐蝕與銨鹽結(jié)晶腐蝕。

1 露點(diǎn)腐蝕預(yù)測(cè)

根據(jù)Aspen軟件建立的運(yùn)算模型，通過(guò)設(shè)置不同的溫度值，能獲取對(duì)應(yīng)溫度值下的油、氣、水三相的各自相分率，進(jìn)而獲取三相的相分率隨溫度變化的趨勢(shì)，如圖2所示。

由圖2可知，換熱器進(jìn)口物流均為氣體，隨著換熱的進(jìn)行，氣體逐漸被低溫原油冷卻，溫度逐步下降，水相在85℃左右出現(xiàn)，油相在95℃左右出現(xiàn)，故可以預(yù)判水的露點(diǎn)溫度約為85℃。換熱器內(nèi)部溫度區(qū)間為82~126℃，因此，換熱器內(nèi)部將會(huì)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

露點(diǎn)腐蝕是否發(fā)生與硫化氫（H2S）、氯化氫（HCl）、氨（NH3）三者在水相中溶解后濃度值密切相關(guān)。圖3至圖5為三種腐蝕性介質(zhì)在水相中濃度隨溫度變化的規(guī)律。

從圖3看出：在露點(diǎn)溫度處HCl介質(zhì)溶解很快，形成較高濃度，數(shù)值約為0.027mol/mL，溫度繼續(xù)下降后，液態(tài)水快速增大，HCl濃度被很快稀釋降低。由圖4至圖5看出，另外兩種介質(zhì)在露點(diǎn)溫度處幾乎不溶解。由此判定：換熱器內(nèi)部將面臨HCl引起的露點(diǎn)腐蝕。

2 氯化銨結(jié)晶預(yù)測(cè)

NH3和HCl兩者在氣相中的比例可通過(guò)Aspen計(jì)算獲取，具體見(jiàn)圖6。

利用公式（1）至（3）可獲取該工況下NH4Cl的具體Kp值與溫度之間的變化規(guī)律：

將NH4Cl結(jié)晶曲線(xiàn)放置在一起，兩條曲線(xiàn)交匯處為NH4Cl開(kāi)始結(jié)晶的時(shí)刻，如圖7所示。

從圖6看出：油相和水相出現(xiàn)后，HCl和NH3兩者在氣相中摩爾分率所占比例逐漸變大，主要是氣相中有部分物質(zhì)冷卻變?yōu)樗嗪陀拖嗨隆膱D7看出：Kp值曲線(xiàn)和NH4Cl結(jié)晶曲線(xiàn)相交點(diǎn)為118℃，而換熱器操作溫度區(qū)間為82~126℃，判定NH4Cl鹽結(jié)晶沉積腐蝕會(huì)在換熱器內(nèi)發(fā)生。

3 硫氫化銨結(jié)晶預(yù)測(cè)

氣相中H2S介質(zhì)的摩爾分率隨溫度變化規(guī)律如圖8所示。

該工況下，硫氫化銨的Kp值隨溫度變化情況如圖9所示。

從圖9看出：該工況下，Kp值曲線(xiàn)和NH4HS結(jié)晶曲線(xiàn)無(wú)交匯點(diǎn)，預(yù)測(cè)換熱器內(nèi)不會(huì)有硫氫化銨鹽結(jié)晶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4 腐蝕位置預(yù)測(cè)

借助傳熱軟件HTRI，建立換熱器模型并導(dǎo)入具體參數(shù)后得到管程、殼程、壁面層的溫度分布規(guī)律，從而開(kāi)展腐蝕區(qū)域的范圍預(yù)測(cè)。

①常頂換熱器結(jié)構(gòu)建模

常頂換熱器具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。三維模型見(jiàn)圖10。

②傳熱計(jì)算結(jié)果分析

換熱器內(nèi)部殼程、管程和壁面層具體溫度分別見(jiàn)圖11至圖13。

由工藝模擬得知水露點(diǎn)溫度大約為85℃，NH4Cl結(jié)晶溫度大約118℃，結(jié)合圖11可得知：換熱器殼程在距管程進(jìn)口約1.55m處為水露點(diǎn)位置，約5.8m處為結(jié)晶位置。考慮到傳熱過(guò)程中，流體溫度不會(huì)保持均衡性，會(huì)存在溫差梯度，壁面層的溫度最低，因此，實(shí)際的結(jié)晶位置和水露點(diǎn)位置會(huì)距管程進(jìn)口更遠(yuǎn)。

從圖12看出：換熱器管程中的低溫原油在換熱過(guò)程中溫度逐漸升高。壁面層溫度由導(dǎo)熱系數(shù)和管內(nèi)外溫差決定。由圖13可知，在同一位置處，管束壁面溫度隨管程延長(zhǎng)而增大。壁面層溫度均低于85℃，低于結(jié)晶和露點(diǎn)溫度。而進(jìn)入換熱器的流體均為氣相，與冷的換熱器壁面層接觸后，會(huì)發(fā)生冷凝。壁面層物流會(huì)率先達(dá)到結(jié)晶溫度，故換熱器進(jìn)口處就會(huì)發(fā)生兩種腐蝕。大量液態(tài)水形成在距管程入口1.55m以?xún)?nèi)，而1.55m之后區(qū)域液態(tài)水很少產(chǎn)生，會(huì)產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕和銨鹽結(jié)晶，故距管程進(jìn)口1.55m之后區(qū)域?yàn)閾Q熱器腐蝕發(fā)生的高危區(qū)段。

防控優(yōu)化措施

結(jié)合上述換熱器面臨的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)目前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出對(duì)換熱器配管結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整三注來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)，避免銨鹽結(jié)晶沉積和露點(diǎn)腐蝕發(fā)生，確保運(yùn)行周期內(nèi)安全。

1 換熱器系統(tǒng)平衡度優(yōu)化

換熱器系統(tǒng)擁有5臺(tái)換熱器，3臺(tái)U型結(jié)構(gòu)，2臺(tái)板式結(jié)構(gòu)，進(jìn)口配管見(jiàn)圖14。

該布局結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致系統(tǒng)整體的平衡度很差。以Q1，Q2，Q3，Q4和Q5來(lái)表示系統(tǒng)中換熱器E101/1-5的具體流量，用式（4）來(lái)表示每臺(tái)換熱器的不平衡度。

采用流體仿真軟件Fluent開(kāi)展數(shù)值模擬，得到各臺(tái)換熱器進(jìn)口流量值。利用solidworks完成三維造型，用Gambit對(duì)模型完成網(wǎng)格劃分，通過(guò)仿真得到詳細(xì)流量值，見(jiàn)表7。

根據(jù)公式代入計(jì)算得到各臺(tái)換熱器的出口流量不平衡度數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)圖15。

從圖15看出：該布置結(jié)構(gòu)下，存在流量不均現(xiàn)象，為了確保每臺(tái)換熱器運(yùn)行平穩(wěn)性和所采取的防腐措施確實(shí)有效，需要進(jìn)行平衡配管處置。

要實(shí)現(xiàn)平衡配管的目的，需將換熱器臺(tái)數(shù)設(shè)置為偶數(shù)，配管結(jié)構(gòu)選用一分為二和二分為四的布置方案，如圖16所示。

采用Fluent對(duì)新配管布局進(jìn)行建模計(jì)算，得到具體流量數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表8。

對(duì)新的換熱器布局方式的流量不平衡度結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖17。

從圖17看出：相比圖16而言，平衡配管布置后系統(tǒng)的不平衡度獲得優(yōu)化。

2 工藝防腐優(yōu)化

換熱器所在的常頂系統(tǒng)，采用雙罐。通過(guò)換熱器冷卻后，將發(fā)生第一次氣液分離，氣相物質(zhì)繼續(xù)進(jìn)入第二段冷卻裝置完成氣液分離。由先前預(yù)測(cè)可知：目前措施下，第一段換熱器內(nèi)部就面臨銨鹽結(jié)晶和露點(diǎn)腐蝕兩種風(fēng)險(xiǎn)，需采取工藝防腐優(yōu)化來(lái)解決問(wèn)題。

①注水措施優(yōu)化

由先前工藝分析得知，換熱器前部注入的水在入口處已經(jīng)氣化，并未形成液態(tài)水，無(wú)法有效沖洗銨鹽，而是會(huì)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

為了避免這一腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，考慮降低露點(diǎn)溫度，可取消換熱器前部的注水，來(lái)降低流體中水蒸氣分壓，進(jìn)而降低露點(diǎn)溫度。圖18為取消換熱器前部注水后的油氣水三相隨溫度變化的質(zhì)量流量規(guī)律。

從圖18看出：在操作壓力為0.11MPa的情況下，換熱器前部不注水，露點(diǎn)溫度大致為80℃，能夠低于出口的溫度。考慮到壁面層的溫度相對(duì)于管內(nèi)溫度要低很多，殼體與壁面層接觸的地方將會(huì)面臨冷凝沖擊而發(fā)生腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。NACE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定換熱器出口溫度要高于露點(diǎn)溫度至少14℃，故需將出口溫度增至94℃。圖19為出口溫度為94℃時(shí)，壁面層的溫度隨距離的分布。

從圖19看出：將出口溫度提升至94℃后，能夠保證壁面層的溫度值均高于先前工況下的露點(diǎn)溫度80℃，將不會(huì)有露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)高出口溫度不僅會(huì)降低熱量利用率，而且會(huì)額外增加生產(chǎn)過(guò)程的成本。從圖19可知：出口溫度設(shè)置在94℃時(shí)，壁面層溫度最低值為83.72℃，相對(duì)80℃的露點(diǎn)溫度高3.72℃，故還可以再降低出口溫度，降低生產(chǎn)成本。圖20為不同出口溫度下的壁面層最低溫度走勢(shì)。

從圖20看出：可將出口溫度設(shè)置為89℃，就能確保壁面層溫度最低值也高于80℃的露點(diǎn)溫度，考慮到需要增加一定的操作彈性，因此，建議將出口溫度升至91℃。

②注劑方案優(yōu)化

在換熱器前部無(wú)注水的工況下，后續(xù)設(shè)備將不會(huì)有液態(tài)水的存在，同時(shí)要保證NH4Cl鹽不會(huì)結(jié)晶，需控制Kp值，確保換熱器出口溫度高于結(jié)晶溫度。降低Kp值實(shí)質(zhì)是降低NH3與HCl兩種介質(zhì)的分壓值。沒(méi)有液態(tài)水注入，第一段過(guò)程中注入的中和劑和氨反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致Kp值升高，增加銨鹽出現(xiàn)概率。因此，建議將中和劑和氨的注入點(diǎn)取消掉，來(lái)降低Kp值。

取消中和劑、氨、水后，校核下銨鹽結(jié)晶是否會(huì)發(fā)生在換熱器內(nèi)。圖21至圖22分別為新方案下的NH3和HCl兩種介質(zhì)在氣相中的摩爾分率變化規(guī)律和Kp值的變化趨勢(shì)。

從圖22看出：新方案下，NH4Cl鹽結(jié)晶溫度約97℃，可確保換熱器鹽結(jié)晶概率非常低，同時(shí)不注水工況下，即使少量鹽結(jié)晶亦不會(huì)發(fā)生鹽吸濕后的垢下腐蝕。再者，可以在塔頂部位注入緩蝕劑，降低HCl的分壓值，進(jìn)而降低Kp值，結(jié)晶溫度會(huì)隨之降低。

長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，換熱器內(nèi)部勢(shì)必會(huì)逐年積累鹽，長(zhǎng)期會(huì)面臨堵塞風(fēng)險(xiǎn)，考慮到NH4Cl易溶解于水，因此，換熱器前部的注水位置可保留。當(dāng)鹽積累到一定量時(shí)，可通過(guò)注入大量水來(lái)清洗沉積鹽，解決堵塞風(fēng)險(xiǎn)。注水沖洗時(shí)間短，造成的露點(diǎn)腐蝕對(duì)換熱器而言危害甚小。

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