導 讀

催化裂化是煉油企業提高原油加工深度，生產高辛烷值汽油、柴油和液化氣的最重要的一種重油輕質化工藝過程，在我國車用汽油中，催化裂化生產的汽油比例達到74%左右。隨著原油的劣質化和重質化，催化裂化原料中硫、氮和重金屬雜質含量增加，殘炭、瀝青質含量升高，影響了裝置長周期運行和產品質量。對含硫催化裂化原料進行加氫處理，脫除大部的硫、氮化合物，降低多環芳烴含量，改善催化裂化原料的性質，從而提高催化裂化輕質油收率和改善相應的產品性質，并減少再生煙氣中SOx、NOx的排放，是應對油品質量升級和環保要求提高的重要途徑。催化裂化原料加氫處理裝置操作條件苛刻，高溫、高壓和臨氫，物料中含有硫化氫、氯化物等腐蝕性介質，因腐蝕造成的設備失效時有發生，影響了裝置的安全穩定運行。通過對設備(構件)失效原因進行分析，找出影響因素，提出防止失效的措施，有利于保障裝置的長周期安全穩定運行。

混合氫管道的基本情況

某石化公司加氫處理裝置2008年建成投產，加工原料油320×104t/a，設計原料為高硫減壓蠟油和焦化蠟油的混合油，其中焦化蠟油含量最高達到15%，設計加工原料油硫含量為3.19%、氮含量0.1%，為催化裂化裝置提供脫硫原料。裝置反應部分采用部分爐前混氫，熱高分工藝流程。混合氫與熱高分氣的換熱流程見圖1，脫硫后的循環氫經循環氫壓縮機K-102升壓后與來自K-101的新氫混合進入熱高分氣/混氫換熱器E-103殼程，與管程的熱高分氣換熱升溫后的混合氫進入反應系統與原料油混合。

混合氫進E-103管道設有副線，副線上設有流量控制閥，用于E-103管程出口熱高分氣的溫度控制。E-103管程出口混合氫管道規格DN400，混合氫副線管道規格DN250，副線管道與E-103管程出口混合氫管道通過異徑三通匯合，見圖2。

三通規格400mm×400mm×250mm，壁厚規格SCH160。腐蝕泄漏部位位于三通底部，偏向主管流動方向下游，距支管中心線178mm。穿孔形狀呈橢圓性，長軸50mm，短軸30mm，見圖3、圖4。

三通的試驗分析

01 化學成分分析

混合氫管道和副線管道、三通的基本情況見表1。

混合氫由本裝置的脫硫后的循環氫和新氫組成，新氫來自本裝置PSA單元產氫、重整裝置來的補充氫和制氫裝置的產氫，物料主要成分是氫氣，還含有少量輕烴，及少量硫化氫、水分等雜質。采用火花光譜儀進行了三通的化學成分分析，分析結果和標準中的要求見表2。

可以看出，三通的化學成分符合ASTM A234-2018《美國材料與試驗標準》中WP5的要求。

02 三通內部腐蝕情況

三通內部腐蝕形貌見圖5，可以看出，腐蝕主要發生在主管流動方向支管的下游，腐蝕溝槽在管道底部，在臨近穿孔部位有一腐蝕集中區，長度大約100mm，腐蝕溝槽上游有成片腐蝕坑，坑深1~3mm。在三通穿孔部位附近進行測厚，測得最小厚度3.6mm。對臨近三通的管壁進行測厚，在底部接近溝槽的凹坑片部位，厚度為25~34.2mm；三通的中上部位厚度為39~40.8mm，腐蝕減薄較輕；支管上游部位厚度為39~41.3mm，支管厚度27.5mm，腐蝕減薄較輕。

03 材料的金相組織

從三通上取樣制成金相試樣，采用SCT-147金相顯微鏡進行金相組織觀察和分析，顯微照片見圖6。

可以看出，材料晶粒大小均勻，晶粒度為8級，金相組織為鐵素體和珠光體，組織未見異常。測得硬度為HB135，符合A234-2018《美國材料與試驗標準》中要求。

04 管內凝液和垢物分析

對現場收集的管道內部凝液和垢物進行化驗分析，凝液呈棕黃色，垢物呈黑色，取垢物用去離子水浸泡后進行試驗分析，凝液直接進行化驗分析，分析結果見表3。

從表3的分析結果可以看出，凝液和垢物溶液均呈酸性，氯和氨濃度很高，腐蝕性較強。

05 電子顯微分析

從三通上腐蝕穿孔部位取樣進行腐蝕形貌電子顯微觀察和EDX成分分析，由圖7的低倍照片上可以看到介質流動痕跡。

EDX微區成分分析結果見圖8和表4。

由圖8可以看到腐蝕坑形貌，由表4可知內表面主要元素構成為：C、O、Si、S、Cl、Fe、Mo等元素，其中氯含量達到2.36%。說明三通內壁垢物主要為氧化物、氯化物、硫化物和有機物，氯化物含量高于硫化物。

06 介質流動計算模擬

管道內流體流動狀況不僅影響介質的混合傳熱、冷凝蒸發，而且影響對管道內壁的剪切應力，從而影響對管壁的沖刷磨損。通過對三通內部的流體流動進行分析計算，可以得到流體的速度分布和溫度分布狀況，有助于介質的腐蝕分析。

應用計算流體力學軟件ANSYS R15進行了三通內部流場模擬計算，采用的邊界條件如下：主管入口流速8.82m/s，溫度200℃；主管出口流速10.53m/s，溫度183℃；支管入口流速2.41m/s，溫度78℃。從三通端面各延伸500mm劃分流體技術模擬網格，計算結果見圖9、圖10，可以看出，在支管流體進入的下游有一段混合區，在這段混合部位三通局部溫度和流速較低，管道內液滴易于沉降并在管壁底部沉積。

三通失效分析與討論

由三通的腐蝕形貌看，腐蝕發生在三通沿主管線方向靠近支管的下游內壁介質側，在三通底部有一段腐蝕溝槽，最嚴重部位穿孔。穿孔部位腐蝕產物的EDX分析結果表明腐蝕產物主要為鐵的氧化物，有一部分氯化物和少量硫化物。三通材質成分符合相關標準要求，硬度和金相組織未見異常。從腐蝕影響范圍看，三通的腐蝕除了與介質化學腐蝕有關，介質的流動、混合和熱量傳遞對腐蝕過程也有影響。

三通內混合氫中的循環氫和新氫體積比為5.5：1，從表5循環氫和新氫組成來看，經過脫硫后，循環氫中硫化氫含量很低(73.5×10-6)，與新氫混合后，混合氫中硫化氫含量還會降低，從表3的垢物和水樣分析結果來看，pH值為酸性，且氯含量較高，高于硫含量，并有一定含量的氨氮。新氫來源之一的重整裝置補充氫含氯，雖然經過脫氯處理，但由于脫氯反應器脫氯能力和操作等方面的因素，脫氯效果無法保證始終滿足要求，表4腐蝕產物EDX中的氯含量說明介質中有一定量的氯化物，主要來自重整氫，但分析化驗難以分析出來。從裝置實際操作來看，混合氫中含有少量水分，混合氫經換熱后溫度達到200℃，不會有液相水出現，副線溫度78℃，可能有液相水出現(尤其冬天溫度更低時)。

副線管道走向是先向上再變水平，與三通的支管焊接(水平方向)。副線中的氫在進入三通后流動需要經過一段距離混合后才能達到管內流速和溫度均勻，在臨近三通入口區域有一個低溫區，同時有局部低速區，在這個流速停滯區副線中的液相水就會沉積在三通底部，并沿管道流動，在流動中與熱的混合氫換熱逐漸升溫蒸發。可以看到在三通支管接近主管部分的底部有淺腐蝕坑，進入主管后，在管道底部偏向支管位置嚴重腐蝕直至穿孔，隨后凝液沿管道底部流動，形成一段腐蝕溝槽，隨著介質向下游流動液相水逐漸減少，腐蝕逐漸減輕。三通材質是A234WP5、管道材質為A335P5，含有5%左右的鉻，耐蝕性比碳鋼好。凝液中的腐蝕介質主要是混合氫中氯化物水解形成的腐蝕性酸性溶液，也有硫化氫溶于水形成的濕硫化氫環境的協同作用，在這里氯化物水解形成的強酸性溶液起主導作用，造成管道厚度減薄、局部穿孔。

結 論

三通的腐蝕失效原因是新氫中氯含量偏高，兩種流體的混合在支管下游形成了局部滯流低溫區，使液相水在三通底部沉積。混合氫中氯化物溶于水、水解形成腐蝕性酸性溶液，造成管壁的局部腐蝕減薄，腐蝕嚴重部位穿孔。

為了做好混合氫管道的防腐蝕，保障裝置的安全運行，提出下列防腐蝕建議。

a做好重整氫中氯含量的化驗分析，嚴格控制新氫中的氯含量不超過1×10-6。選用高效除沫器，降低混合氫中的水含量。

b對副線氫管道進行伴熱，防止冬天溫度降低時液相水產生。

c裝置運行中對混合氫管道進行定期測厚檢查，重點針對易產生積液部位。