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某石化公司L-102B輻射室爐管腐蝕失效檢測分析報告
一、概況
1.1 糠醛裝置總體情況
某石化公司煉油廠糠醛裝置到目前已運行29年,按照介質(zhì)劃分分為精液系統(tǒng)和廢液系統(tǒng),精液系統(tǒng)含醛12%,廢液系統(tǒng)含醛93%。
糠醛精制是以糠醛做選擇性溶劑,根據(jù)所含烴類溶解度不同有選擇性地溶解芳香烴、環(huán)烷烴、長側(cè)鏈烴類,糠醛與潤滑油在抽提塔中逆向接觸,由于臨街溫度不同和比重不同,將理想和非理想組分分開,從而使得精制后的油品有剛好的抗氧化性和抗腐蝕性,并可降低油品中的殘?zhí)贾怠?/span>
1.2 糠醛裝置設(shè)備規(guī)格及使用條件
設(shè)備 位號 |
設(shè)備規(guī)格 | 材質(zhì) | 工藝操作條件 | 腐蝕形態(tài) | 使用情況 | 其他說明等 | ||
實際操作、壓力溫度 | 介質(zhì) | |||||||
L-102B |
700-25- Ф127/Ф152 |
20# |
170-220 ℃ |
0.03-0.6 MPa |
抽出液 (醛、油) |
現(xiàn)檢測爐彎頭管 φ152×10 , 直管段φ152×8 |
投用時間 1980年7月 |
輻射室爐管規(guī)格: φ127×8 φ152×8 φ219×12 |
1.3 腐蝕情況初步調(diào)查
2008年8月,糠醛裝置檢修停工過程中發(fā)現(xiàn)爐子冒黑煙,經(jīng)試壓發(fā)現(xiàn)L102B對流室泄漏,宏觀檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕很嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用,更換171根釘頭管,21根光管,更換彎頭197個、套管171個。
(圖略)
通過對管內(nèi)壁減薄區(qū)表面能譜檢測分析,我們看發(fā)現(xiàn)C仍然占大多數(shù)達(dá)到了58.59%(wt,%),其次是Fe,其分布規(guī)律與樣1、樣2、(垢)樣3相同,除了發(fā)現(xiàn)過的Na、Si以外,此次檢測到了K和Ca元素,這與原料過來的潤滑油組分中含有的上述固有元素有關(guān),這些元素幾乎不參與腐蝕歷程,故不做成分及含量方面的技術(shù)探索。此次檢測到的元素格外發(fā)現(xiàn)了Cl元素,而且占到了0.36%(wt,%),這個比例足以參與腐蝕歷程。
同樣,為使結(jié)果具有普遍性,再選取一點進(jìn)行能譜檢測分析。
2.1.4管內(nèi)壁減薄區(qū)內(nèi)表面能譜檢測分析(樣2)
Processing option : All elements analyzed (Normalised)
Number of iterations = 5
Element | Weight% | Atomic% | |
C | 36.15 | 58.46 | |
O | 21.83 | 26.51 | |
Si | 0.49 | 0.34 | |
S | 0.60 | 0.37 | |
Ca | 0.65 | 0.31 | |
Mn | 0.60 | 0.21 | |
Fe | 39.67 | 13.80 | |
Totals | 100.00 |
三、腐蝕機(jī)理分析
總體分析,L-102B爐管腐蝕內(nèi)外腐蝕均有,以內(nèi)腐蝕為主。
管內(nèi)腐蝕概括地說為:(1)由于超溫糠酸與爐管本體發(fā)生了化學(xué)腐蝕,同時油品中的S元素也與鐵基金屬發(fā)生化學(xué)腐蝕形成硫化鐵,加之糠酸再次發(fā)生化學(xué)清洗作用,從而加速腐蝕,也即兩種反應(yīng)類型共生伴生從而加劇腐蝕。(2)管內(nèi)流體的湍流形成汽液兩相發(fā)生形成空泡條件發(fā)生汽蝕,從設(shè)備使用環(huán)境中加速加劇了腐蝕。管內(nèi)壁腐蝕對整個爐管腐蝕起到了決定性的作用。
管外腐蝕以煙氣中的硫化物腐蝕為主。對設(shè)備影響不大。
詳述如下:
3.1糠醛車間L-102B爐管內(nèi)壁的腐蝕機(jī)理
我們知道,糠醛(C5H4O2)不具有穩(wěn)定的化學(xué)穩(wěn)定性,易在空氣、陽關(guān)及有一定溫度的情況下發(fā)生氧化,顏色變深,在溫度大于220℃情況下會發(fā)生分解生成焦質(zhì)并縮合成焦炭。糠醛氧化會生成糠酸(C5H4O3)。
發(fā)應(yīng)式為:
2C5H4O2+O2 → 2C4H3OCOOH
3.1.1 糠酸與鐵基發(fā)生化學(xué)腐蝕
2C4H3OCOOH + Fe → (C4H3OCOO)2Fe + H2
3.1.2 爐管內(nèi)介質(zhì)含有的S或H2S與鐵基爐管發(fā)生硫腐蝕
系統(tǒng)在有S、H2S存在的情況下,會連續(xù)發(fā)生一下化學(xué)(腐蝕)反應(yīng):
(C4H3OCOO)2Fe +H2S → 2C4H3OCOOH +FeS
Fe + S → FeS
FeS + C4H3OCOOH → (C4H3OCOO)2Fe +H2S
此時的H2S起到化學(xué)清洗作用,將附著于爐管表面生成的(C4H3OCOO)2Fe剝離、分解,形成疏松狀腐蝕產(chǎn)物,新鮮的金屬表面不斷裸露在介質(zhì)中,使得腐蝕反復(fù)往復(fù),不斷進(jìn)行下去。
3.1.3 從腐蝕形態(tài)即介質(zhì)狀態(tài)沖刷以及汽蝕加速了爐管的腐蝕
金屬表面受高流速和湍流狀的流體沖擊,同時遭到磨損和腐蝕的破壞,稱為磨損腐蝕。沖擊腐蝕是磨損腐蝕的主要形態(tài)。金屬在高速流體沖擊下,保護(hù)膜破壞,破口處裸金屬加速腐蝕。如果流體中含有固體顆粒,磨損腐蝕就更嚴(yán)重。它的外表特征是:局部性溝槽、波紋、圓孔和山谷形,通常顯示方向性。
L-102B爐管操作溫度在170-220℃之間(有時候超溫),此間正是流程工藝介質(zhì)發(fā)生劇烈相變的溫度,由于空泡的作用,使磨損腐蝕十分嚴(yán)重??张莸男纬墒怯捎谝后w湍流或溫度變化引起局部壓力下降,空泡內(nèi)氣泡破裂時產(chǎn)生沖擊波壓力可高達(dá)4000atm,使金屬保護(hù)膜破壞,并可引起塑性變形,甚至撕裂金屬粒子。膜破口處裸金屬受腐蝕,隨即重新生膜,在同一點上又形成新空泡,又迅速破裂,這個過程反復(fù)進(jìn)行,結(jié)果金屬表面生成致密而深的孔,外表很粗糙。
空泡爆炸、潰滅在其周圍形成“唇片”,或大小波紋連成片形成“C”形波紋。(見圖20)
此外流速對爐管湍流腐蝕也很大。增加流速既可以增大腐蝕,也可以減輕腐蝕。增大腐蝕:主要是通過增加氧、硫化氫等與金屬表面接觸,或通過減少表面膜厚度,使離子擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移速度增大。減輕腐蝕:主要是高速介質(zhì)將緩蝕劑等及時供給金屬表面,提高緩蝕劑效率。流速變化引起沖刷腐蝕的特殊形式有:湍流腐蝕和空泡腐蝕。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物膜被沖掉后,暴露的新鮮金屬基體表面電極電位比被腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋部位的電極電位低,形成大陰極、小陽極的腐蝕特征,在無膜處發(fā)生電化學(xué)點蝕,并促進(jìn)點蝕坑群順著流體切應(yīng)力方向不斷成長,從而引起管道穿孔和爆裂。在多相流中,空泡腐蝕的存在腐蝕最嚴(yán)重。
許多材料介質(zhì)體系(尤其是帶膜材料)往往存在臨界流速,超過此流速就會使材料流失量突然增加。但不同學(xué)者通過不同試驗方法得出的臨界流速計算方法和結(jié)論各不相同,故應(yīng)用范圍有較大局限性。一般而言,非緩蝕系統(tǒng)的臨界流速為5m/s,緩蝕系統(tǒng)的臨界流速為10m/s。在非緩蝕系統(tǒng),在紊流狀態(tài)下(高于5m/s),金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜和緩蝕劑膜被高速介質(zhì)和懸浮固體機(jī)械除去,金屬基體暴露于腐蝕介質(zhì)中而導(dǎo)致腐蝕速率大大增加。
3.2管外腐蝕以煙氣中的硫化物腐蝕為主對設(shè)備影響不大
加熱爐在運行過程中,煙氣中的油焦、炭粉、硫化物和礦物質(zhì)等固體顆粒在與對流段爐管表面相互碰撞時,部分顆粒在慣性力的作用下會沉積在爐管外壁的釘頭表面。同時煙氣中的SO2等腐蝕介質(zhì)對爐管有一定的腐蝕作用,腐蝕產(chǎn)物也容易粘附在爐管表面。隨著加熱爐運行時間的延長,爐管表面積聚的污垢越來越多,嚴(yán)重時污垢將爐管全部包裹,基本見不到爐管的釘頭,大大降低了對流段爐管的傳熱性能,導(dǎo)致對流段煙氣出口溫度升高,加熱爐熱效率下降。
對流段上部的低溫受熱面,積灰后的管壁更容易吸附煙氣中所含的硫酸蒸氣,加劇了爐管表面的腐蝕。爐管表面形成的腐蝕產(chǎn)物,增大了爐管的傳熱熱阻,降低了爐管的傳熱效率,當(dāng)爐管使用一定的時間后,隨著腐蝕產(chǎn)物的增加,爐管管壁逐漸減薄,最后導(dǎo)致爐管穿孔造成安全事故。常減壓裝置一加熱爐對流室壁板腐蝕情況。見照片5
由于煙氣中含有大量的硫化物,煙氣溫度降低至200℃以下時,SO3會與水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣。當(dāng)煙氣溫度降至135℃左右時,即達(dá)到酸露點,酸的蒸氣凝結(jié)為硫酸溶液附著于換熱器表面。由于硫酸的沸點比水高很多,所以盡管煙氣中的SO3含量很低但其凝結(jié)在傳熱元件上的硫酸溶液仍具有較高的質(zhì)量濃度。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低至水露點時,則煙氣中的SO2于先前生成的硫酸溶液的水膜生成亞硫酸,亞硫酸、硫酸腐蝕環(huán)境,對爐內(nèi)件和設(shè)備表面腐蝕危害極大,從而使腐蝕更加嚴(yán)重。
一般燃料油、煉廠氣或天然氣中均含有少量的硫,硫燃燒后全部生成SO2;由于富氧環(huán)境的存在,又有少量的SO2被進(jìn)一步氧化形成SO3。在一般過??諝庀禂?shù)條件下,約有1%~3%的SO2轉(zhuǎn)化成SO3。
在高溫?zé)煔庵蠸O3對金屬不具有腐蝕性,但當(dāng)煙氣溫度降到400℃以下時,SO3將與水蒸氣化合生成硫酸蒸氣,其反應(yīng)式如下:
SO3↑+H2O↑ → H2SO4↑
當(dāng)煙氣溫度繼續(xù)下降,硫酸蒸氣凝結(jié)到低溫金屬表面時就會發(fā)生低溫硫酸腐蝕。同時,這些凝結(jié)在低溫金屬表面上的硫酸液體,還會粘附煙氣中的灰塵形成不易清除的積垢,不但使煙氣通道不暢甚至堵塞,而且隨著金屬表面積垢逐漸增厚,使SO2轉(zhuǎn)化成SO3所需觸媒不斷強(qiáng)化,SO3生成量逐漸上升。而SO2與水蒸汽化合生成亞硫酸氣,它的露點溫度更低,一般不可能在爐子內(nèi)凝結(jié),對金屬無危害。所以,硫酸露點腐蝕過程中最重要的因素是SO3的生成,而腐蝕程度依SO2生成量的不同而異。
四、建議及措施
4.1 可考慮在工藝介質(zhì)部位增加緩蝕劑;
4.2 一定控制好介質(zhì)溫度,不超溫是控制腐蝕的關(guān)鍵;
4.3 檢修或停用期間對爐管進(jìn)行表面處理,采取化學(xué)清洗可以消除爐管表面結(jié)焦結(jié)垢對爐子本體造成的腐蝕侵害,也是必要的。
采用化學(xué)清洗清焦清垢可以大大提高爐體的安全抗風(fēng)險能力,減少設(shè)備腐蝕提高爐子運行效率。采取化學(xué)清洗能較好清除減壓爐對流段爐管間的污垢,與傳統(tǒng)清洗方法比較具有清洗效率高、不腐蝕設(shè)備,不損害爐襯且不污染環(huán)境等特點。清洗后煙道氣出口溫度一般可以降低30℃以上,爐子熱效率提高2%以上,經(jīng)濟(jì)效益顯著,值得在煉化企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
良好的清洗能夠較好地清除各類爐管釘頭管、翅片問的污垢。該工藝與傳統(tǒng)清洗方法比較具有清洗效率高、不腐蝕設(shè)備,不損害爐襯等特點。達(dá)到了節(jié)能降耗,提高運行質(zhì)量的日的,節(jié)約燃料取得的效可觀。