脫氨塔底重沸器氣相返塔管線泄漏原因及處理

楊陽陽,徐東芳

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266100)

酸性水汽提裝置加工原料中含有大量的硫化氫、氨等腐蝕性介質,致使管線和設備腐蝕問題頻繁發生[1-4]。一直以來酸性水汽提裝置的腐蝕機理和原因也得到廣泛研究。汽提塔底重沸器管束和管線的腐蝕是比較典型的腐蝕案例。白知成等人[4]總結出氨汽提塔再沸器管線的腐蝕原因主要是由于硫酸鹽積垢,造成氯離子腐蝕。通過能譜分析和垢樣分析,陳良超等人[5]得出酸性水汽提塔底腐蝕成分主要是鐵銹。本文對脫氨塔底重沸器氣相管線腐蝕進行宏觀檢查、測厚分析,結合現場腐蝕位置確定主要腐蝕原因,并提出防護建議。

1 裝置概況

國內某煉廠酸性水汽提裝置采用單塔加壓汽提工藝,加工原料主要為常減壓裝置、催化裂化裝置和焦化裝置的酸性水,富含硫化氫和氨。裝置自運行以來,脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔管線多次出現泄露問題,現場經過多次堵漏應急處理,效果不明顯。裝置運行3年后,管線上部腐蝕減薄嚴重,難以維持穩定生產,不得不重新更換管線。

2 現場泄露事件經過

近日工作人員在日常巡檢過程中,發現脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔管線保溫處有少量蒸汽泄漏,隨即上報通知相關人員對泄漏保溫處進行拆除,發現脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔三通橫向焊口的熱影響區有1～2 mm的砂眼,立即進行現場警戒,對泄漏處進行打卡子應急處理。事故中由于泄漏量較小,未對生產和操作人員產生影響。

數日后打卡子處再次發生泄漏,處理過程中發現漏點腐蝕缺口已增大至6 mm。經過2 h應急搶修,堵漏效果不明顯。為保證裝置安全正常運行,避免漏點繼續擴大形成安全隱患,經研究計劃進行消缺施工,更換重沸器E-205氣相三通。另外彎頭和偏心異徑管視腐蝕情況選擇是否更換。

次日對脫氨塔底重沸器(E-205)經沖洗置換并排凈處理后,氣相返塔塔壁法蘭處和液相入口處分別加裝盲板進行完全隔離。經現場泄漏口采樣分析合格后,對泄漏點及南側大小頭處進行切割及更換處理,動火焊接結束后經氣密合格進入開工程序。

3 工藝流程

脫氨塔底凈化水進入脫氨塔底重沸器(E-205)后,在重沸器中經提純,脫除氨和硫化氫。脫氨塔底重沸器(E-205)其規格型號為BJS600-1.2-79-4.5/25-2I。管程介質為1.0 MPa蒸汽,流量為1 700 kg/h,入口溫度為210 ℃,出口溫度為180 ℃,殼程介質為凈化水(含微量氨及硫化氫),入口溫度為152 ℃,返塔溫度為160 ℃。原設計中,重沸器管程材質為10# (GB/T 9948),殼程材質為Q245R(GB/T 713)。脫氨塔底重沸器到脫氨塔之間的氣相返塔管線材質為20#(GB 9948)。簡易流程圖詳見圖1。

圖1 簡易流程圖

4 腐蝕現狀

裝置停工退料后,現場對拆解掉的脫氨塔底重沸器(E-205)管件進行了測厚統計分析,實際測厚數據詳見表1。

表1 重沸器管件測厚數據(序號對應圖1)

根據管件的測厚數據及現場圖片(圖2)顯示,三通各接口均有不同程度的腐蝕減薄。其中上管口腐蝕減薄較為嚴重,測得目前的管件壁厚僅為1～2 mm。若按照均勻腐蝕計算,該裝置一個運行周期(按裝置檢修周期3年計算)的腐蝕速率高達2.7 mm/a。三通左右管口處腐蝕減薄較上管口略輕,其中上部剩余壁厚為3～4 mm(測厚順序為順時針9到3點圓周),腐蝕速率為2 mm/a,下部剩余壁厚為5～6 mm(測厚順序為順時針3到9點鐘圓周),腐蝕速率為1.35 mm/a。后經過仔細觀察后發現在三通內部表面有輕微點蝕的現象,另管線內部約有1 mm左右厚度的銹垢,三通處各焊縫處未見明顯缺陷。

通過對大小頭進行宏觀檢查,發現大小頭的大端上部腐蝕減薄嚴重,厚度在2.8～3.2 mm(測厚順序為順時針9到1點鐘圓周),腐蝕速率在2.3 mm/a左右,其他圓周剩余壁厚在7 mm左右,腐蝕速率在0.84 mm/a。大小頭處前后焊縫處未見明顯缺陷。

圖2 重沸器氣相返塔三通和大小頭現場腐蝕情況

5 腐蝕原因分析

5.1 應力腐蝕(SSC)

應力腐蝕指的是在受到拉應力的作用下,金屬在腐蝕性介質中引起的破壞。在局部腐蝕形態形式中應力腐蝕開裂是危害性最大的,在應力腐蝕過程中,如果有細小的裂紋形成,那么其腐蝕擴展速度與其他類型的局部腐蝕速度相比呈幾何增長,應力腐蝕容易造成悲慘的事故,如鋼橋的倒塌、客機的解體、油氣罐區的閃爆、工藝管線的泄漏,都給人們的生產生活造成了難以彌補的生命和財產損失。此外,如核工業的核電站、貨輪、燃氣鍋爐、石化企業中也都發生過應力腐蝕破壞造成的事故。常見的應力腐蝕環境詳見表2。從表中可以得出結論:通常純金屬不會發生應力腐蝕,當金屬里面含有了雜質或者金屬為合金,在拉應力存在、特定的組織環境(包括腐蝕性介質的性質、合適的溫度、合適的濃度)條件下, 三種因素共同作用下,應力腐蝕才可能發生,三者缺一不可。

表2 常見的應力腐蝕環境

根據以上腐蝕機理的分析,本次脫氨塔底重沸器氣相返塔管線中介質為凈化水,其Cl離子含量僅為10 mg/L,管線材質為20#(GB 9948),因此發生應力腐蝕的可能性較小。

5.2 應力計算分析

首先對原設計的管道竣工圖與現場實際配管進行詳細的檢查對比發現,管線的設計圖紙與現場配管一致?？紤]到管線溫度較高,可能產生較大的局部應力而導致管線開裂泄露,因此需要對脫氨塔底重沸器到脫氨塔之間的氣相返塔管線進行詳細的應力計算。計算采用常用的應力分析軟件-CAESARⅡ軟件[6],選取從重沸器殼程出口至脫氨塔管嘴之間的管路,作為本次計算的管道系統。重沸器及脫氨塔均按實際參數輸入。將所分析管道的設計壓力、設計溫度、管線選用的材質、管線的保溫材質及保溫厚度等一系列參數輸入后,創建如圖3所示的應力模型。

圖3 應力模型圖

根據實際工程設計經驗,管道上的一次應力不超過標準許用值的60%,二次應力允許不超過標準許用值的80%。通過應力計算結果(詳見表3)可以得出,一次應力及二次應力的最大值分別為20%和28.6%(與允許荷載比較),均符合應力的相關要求。據此可見,因管線路由不合理而產生管線應力開裂,從而造成此脫氨塔底重沸器氣相返塔管線的泄露原因不成立。

表3 應力計算值

5.3 Cl離子腐蝕

Cl離子具有離子半徑小、穿透能力強以及對金屬吸附性強等特點,隨著Cl離子濃度的增加,溶液的導電性就越強,在氯離子含量(大于30 mg/L)[7]較高的情況下對碳鋼表面鈍化膜破壞性較大,從而使得Cl離子更易穿過鈍化膜到達金屬表面。Cl離子的強滲透性是能實實在在破壞碳鋼表面鈍化膜,或者是減少反應生成的穩定化合物濃度的,是一種非常強的去極化離子,有氯離子存在,防腐就會變得相對復雜。

經過對凈化水的取樣分析,凈化水中Cl離子含量為10 mg/L。Cl離子對碳鋼的腐蝕較輕,腐蝕型式為點腐蝕。因此Cl離子腐蝕不是造成脫氨塔底重沸器氣相返塔管線腐蝕速率加快的主要原因。

5.4 低溫HCl-H2S-H2O電化學腐蝕

一般情況下,當碳鋼管線內部介質含有硫化氫時,首先會與管碳鋼線內部的Fe反應生成Fes保護膜,防止管線腐蝕。在低溫(煉廠一般指200 ℃以下)環境下,有水存在時,H2S和Cl離子會形成腐蝕較為嚴重的低溫HCl-H2S-H2O型電化學腐蝕[8],H2S和Cl離子互相促進,則會腐蝕FeS后再對管線進行重復腐蝕。郭金彪等人[9]通過電化學實驗研究了在HCl-H2S-H2O環境下HCl和H2S對碳鋼的腐蝕影響,研究表明單一HCl或H2S環境中,隨著HCl或H2S濃度的增加,腐蝕速率明顯增加。在HCl-H2S-H2O環境下,當HCl濃度較高時,可以抑制H2S對碳鋼的腐蝕,但當HCl濃度較低時反而促進了H2S對碳鋼的腐蝕。

根據現場取樣分析,脫氨塔底凈化水中硫化氫質量濃度為0.08 mg/L,符合≤20 mg/L的指標要求。由于脫氨塔底液相介質中硫化氫含量較低,且氣相返塔操作溫度在160 ℃左右,因此不是造成腐蝕速率加快的主要原因。但在天氣驟降或保溫效果不好時會存在氣液相共存狀態,從而促進了露點腐蝕。

5.5 氨腐蝕

氨水本身不是較強的氧化劑,因此氨水對碳鋼的腐蝕需要一定的條件。一般情況下,氨水腐蝕金屬存在三個條件:一是氨氣在有水的環境中形成氨水,二是金屬與金屬離子存在雙電平衡且金屬離子形成穩定的配離子,三是介質中含有大量的氧分子。脫氨塔底凈化水氣液相中氨濃度較低(氨含量為11.4 mg/L),氨對碳鋼的腐蝕較輕。因此氨腐蝕不是造成腐蝕速率加快的主要原因。但在驟冷天氣時可能存在輕微腐蝕。

5.6 銨鹽腐蝕

氨和硫化氫在堿性環境下會生成具有強腐蝕性的硫氫化銨NH4HS。偶國富等人[10]研究了NH4HS質量濃度和溫度對碳鋼沖刷腐蝕的規律,當NH4HS濃度低于5%時,碳鋼表面形成氧化膜,腐蝕效果不明顯,當NH4HS濃度持續升高時,腐蝕效果增加,另外溫度的升高也促進了腐蝕速率。API571標準中指出當硫氫化銨質量濃度低于2%時,腐蝕性不明顯。由于該裝置凈化水中硫化氫和氨濃度較低,因此硫氫化銨不是造成腐蝕速率加快的主要原因。

5.7 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是一種由于流體流動造成減薄或損壞管道的慢性降解方式,最為常見的腐蝕區域有彎頭、突擴管和孔板。閻永貴等人[11]對雙相流沖刷腐蝕機理進行了研究,通過實驗得出管道突然擴充時沖刷腐蝕最為嚴重的部位一般在擴徑處2.5D(粗管直徑)位置。林彤等人[12]利用fluent軟件得到了突擴管下游的流體分布規律,突擴管下游傳質系數和腐蝕速率會隨著入口流速和突擴比的增大而增大。而且氣液兩相中的沖刷腐蝕程度較單相狀態更為嚴重。脫氨塔底重沸器(E-205)氣相管線突擴管形式由DN250擴徑至DN350,根據現場測厚數據分析,現脫氨塔底重沸器(E-205)腐蝕較重位置為距大小頭距離2.5D左右位置。此位置存在氣液混相狀態,同時管線腐蝕較薄點為氣相沖刷位置。綜上所述,推斷沖刷腐蝕是造成脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔管線減薄的主要原因。

6 結論及建議

本文從應力腐蝕(SSC)、管道應力、低溫HCl-H2S-H2O電化學腐蝕、氨腐蝕、Cl離子腐蝕以及沖刷腐蝕等方面,對脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔管線泄漏原因進行了分析,推斷沖刷腐蝕是造成管線減薄的主要原因。

為了解決現場泄漏問題并預防事故的再次發生,提出以下建議:

1)短期應急處理后,應加強日常重點檢查頻率,適當增加保溫厚度,減少氣液相狀態,降低露點腐蝕。

2)建議在裝置檢修期間,對脫氨塔底重沸器(E-205)氣相返塔管線進行材質升級,由碳鋼升級為奧氏體不銹鋼316L,減緩腐蝕;建議擴大返塔管線管徑,降低流體流速,減少沖刷速率;同時建議增加氣相返塔保溫厚度,避免因天氣驟降產生氣液兩相。