加氫反應(yīng)器冷卻器管束腐蝕失效分析研究

(洛陽石化工程設(shè)計有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

長期運行中，加氫反應(yīng)器一直處于高溫、高壓、臨氫、高溫硫和硫化氫環(huán)境，其使用條件極為嚴(yán)格，因此增加了設(shè)計和制造的難度。多年來，國內(nèi)外對其設(shè)計、材料和制造技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和工程實踐。作為有機化學(xué)實驗室和實際生產(chǎn)過程中的一項重要設(shè)備，加氫反應(yīng)器不單單可用于加氫反應(yīng)的容器，還可用做充分混合液體和氣體的場所。在石油化工行業(yè)，加氫過程可用于加氫裂化，同時也可用于加氫精制，以脫除油品內(nèi)的雜質(zhì)，如含氧、硫、氮等雜質(zhì)，并使烯烴全部飽和、芳烴部分飽和，從而提高油品的質(zhì)量。在加氫處理環(huán)節(jié)，往往需要通過氫反應(yīng)器冷卻器對加氫反應(yīng)器物料溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。作為加氫系統(tǒng)的重要設(shè)備，如冷卻器管束出現(xiàn)腐蝕失效問題，必定會影響加氫效果，甚至產(chǎn)生更嚴(yán)重的危害。為此，必須重視冷卻器管束泄漏問題，采取科學(xué)、有效的措施進(jìn)行防護(hù)，從而保證裝置長時期安全平穩(wěn)運行。

1 案例分析

某石油化工裝置在生產(chǎn)時，需要進(jìn)行加氫工藝處理，為有效控制加氫反應(yīng)器物料溫度，必須在加氫反應(yīng)器前安設(shè)加氫反應(yīng)器冷卻器，根據(jù)裝置情況，決定采用H-603型冷卻器，其為“U”型管換熱器，采用20#鋼為管束材料，各項參數(shù)為管板材料為16MnⅢ；殼體材料20R；管程介質(zhì)為樹脂液；殼程介質(zhì)為礦物油。但在2017-2018年運行期間先后出現(xiàn)了3次管束腐蝕泄漏情況，決定通過宏觀檢查、化學(xué)分析等方式來找出冷卻器管束泄漏原因，以此減少對加氫效果的影響。

2 加氫反應(yīng)器冷卻器管束腐蝕失效情況分析

2.1 冷卻器檢修情況

加氫反應(yīng)器冷卻器在使用一段時間后，于2017年8月24日發(fā)生泄漏，后于2017年11月3日、2018年8月17日再次發(fā)生3次泄漏。致使裝置非計劃停工檢修3次，經(jīng)本文以其中一處設(shè)備位號A進(jìn)行檢修分析，具體檢查結(jié)果如下。

1)2017-8-25檢修時，發(fā)現(xiàn)冷卻器堵管4根，其中泄漏較大為1根，其余微漏3根，管板微漏6處。

2)2017-11-4檢修時，發(fā)現(xiàn)冷卻管堵管2根，其中泄漏較大為1根，1根微漏，管板微漏2處。

3)2018-8-18檢修時，發(fā)現(xiàn)冷卻管堵管10根，其中泄漏較大為1根，9根微漏，管板微漏17處。

由此可知，管板位置微小裂紋較多，且管束內(nèi)壁腐蝕情況嚴(yán)重。

2.2 宏觀檢查

在冷卻器腐蝕失效之后，通過觀察其外表面狀態(tài)，未見明顯腐蝕穿孔情況，僅局部存有點狀腐蝕坑，深度在1.0 mm以內(nèi)，腐蝕輕微。

在3次消漏檢修過程中發(fā)現(xiàn)，每次都有管束存在腐蝕泄漏情況，因此，可以認(rèn)為管束內(nèi)表面才是導(dǎo)致腐蝕失效的主因。

同時，有大量鹽類結(jié)晶物附著于泄漏管束周圍的管板表面，因此，可認(rèn)為，在管束和管板連接位置也存有管束腐蝕失效的可能。

2.3 化學(xué)分析

2.3.1 硫腐蝕

硫是原料的一種，因此必定會產(chǎn)生硫腐蝕情況，且貫穿整個生產(chǎn)壽命周期。即便是具有較低含量的硫，同樣會腐蝕設(shè)備，僅是腐蝕程度輕重的問題，且這種腐蝕會存在于裝置的各個部位。此外，硫腐蝕并非單獨存在，在其他腐蝕性介質(zhì)的影響下，如水、氯化物等，相互作用之后，將大大增加腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性。

2.3.2 氯離子腐蝕

基于生產(chǎn)需求，往往需要將一定量的含氯助劑注入到前系統(tǒng)內(nèi)，因此難免會存在氯離子腐蝕情況，這也是導(dǎo)致管束腐蝕的主要原因。在對金屬腐蝕中，氯離子多會構(gòu)成腐蝕電池，或形成去極化作用。當(dāng)氯離子濃度增加，則水溶液的導(dǎo)電性將會隨之增強，此時電解質(zhì)的電阻則會大幅降低，這種情況下，氯離子就會越容易附著于金屬表面，從而導(dǎo)致腐蝕速度加快。若氯離子存于酸性環(huán)境中，則會有一層氯化物鹽層附著于金屬表面，這也就是量鹽類結(jié)晶物附著管板表面的直接原因。

2.3.3 電化學(xué)腐蝕

當(dāng)物料未進(jìn)入冷卻器之前，需要經(jīng)過多道工序處理，這種情況下，物料內(nèi)將含有大量電解質(zhì)。由于采用20#鋼作為換熱器管束的材料，此時，在物料、 碳鋼、雜質(zhì)等條件相互作用下，極易形成原電池效應(yīng)，從而引發(fā)電化學(xué)腐蝕。

由此可見，冷卻器腐蝕失效的原因在于HCl+H2S+H2O型腐蝕環(huán)境和電化學(xué)腐蝕的共同作用，其中最主要的影響因素為電化學(xué)腐蝕。

3 加氫反應(yīng)器冷卻器管束腐蝕失效處理措施

為了進(jìn)一步提升設(shè)備運行效率，必須及時解決腐蝕問題。管束內(nèi)涂抹防腐涂層是一種最有效的防腐方法，為此，必須選擇合適的涂層，并提高涂層施工質(zhì)量，最大限度延緩管束失效時間，降低腐蝕風(fēng)險。根據(jù)上述原因分析，決定采用鈦納米技術(shù)進(jìn)行加氫反應(yīng)器冷卻器管束腐蝕失效處理。傳統(tǒng)防腐涂層表面一般具有較大孔隙率，因此，腐蝕介質(zhì)很容易由此孔隙浸入涂層。伴隨腐蝕時間的不斷增加，腐蝕將由點逐步向片狀轉(zhuǎn)化，最終腐蝕面積越來越大。通過這些孔隙及缺陷，大量腐蝕介質(zhì)溶液也將到達(dá)界面處，從而又有大量腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生于基體內(nèi)部，致使涂層失效，破壞基體。

而鈦納米聚合物涂層卻有所不同，所需破壞時間更長。因為此類涂層內(nèi)為納米尺度，耐腐蝕性能良好。在制備涂層時，能夠和涂層的基料具有良好的相容性，可以制備出均勻致密的鈦納米聚合物涂層，減少涂層缺陷。此外，此類涂層具有一定疏水性，在涂層表明不易吸附腐蝕介質(zhì)，因此具有良好的耐蝕性。由其附著力分析，基體能夠充分結(jié)合涂層，以此達(dá)到保護(hù)基體的作用，這也展示出了鈦納米聚合物涂層的良好防護(hù)性能。

因此，2018年9月，將鈦納米聚合物涂層設(shè)于換熱器管束內(nèi)表面及管束管板表面， 來達(dá)到防腐作用。經(jīng)過1年多的考察可見，涂層未產(chǎn)生銹蝕、脫落等情況，涂層表面無明顯變化，充分展現(xiàn)出了鈦納米聚合物涂層的良好防護(hù)效果與服役性能。

4結(jié)語

作為化工工業(yè)中的基干工業(yè)，石油化工在國民經(jīng)濟中占有極為重要的地位。隨著石油和化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，加氫反應(yīng)壓力容器的設(shè)計與制造愈發(fā)受到研究者的重視。加氫反應(yīng)器是壓力容器的一種，在原油煉制領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，其工作和使用條件十分嚴(yán)格，經(jīng)常伴隨著高溫和高壓的工作環(huán)境，在實際工作時，反應(yīng)器承受著巨大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。加氫反應(yīng)器前冷卻器用于控制加氫反應(yīng)器物料溫度，若出現(xiàn)管束腐蝕失效問題，必定影響整個設(shè)備運行的質(zhì)量及安全。為此，必須重視加氫反應(yīng)器冷卻器管束腐蝕問題，找出腐蝕失效原因，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展情況，合理選擇防腐材料，如鈦納米聚合物涂層，此類材料具有良好的防護(hù)效果與服役性能，可有效提升設(shè)備防腐能力，減少故障發(fā)生幾率，保證生產(chǎn)活動持續(xù)、穩(wěn)定開展。