脱乙烷塔的腐蚀原因

李应勇

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，湛江 524000)



失效分析

脱乙烷塔的腐蚀原因

李应勇

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，湛江 524000)

采用渗透法对某海上油田终端脱乙烷塔塔体外表面进行检测，塔体第一节至第四节筒体共发现56处裂纹，严重影响设备的安全运行。通过微观形貌观察和化学成分分析等方法对脱乙烷塔裂纹产生的主要原因进行了探讨，并提出了相应的解决方法，保证装置安全平稳运行。结果表明：塔体的失效形式为氯化物引起的应力腐蚀开裂，主要是由于塔外保温材料破损导致，可通过更换保温材料或塔体材料等措施进行预防。

脱乙烷塔；裂纹；腐蚀分析

脱乙烷塔是处理天然气的压力容器。某油田终端的脱乙烷塔于2003年投产，立式安装，其结构如图1所示。其中，从一级低温分离器分离出的冷凝液(-34 ℃)作为脱乙烷塔的下段进料进入脱乙烷塔，二级低温分离器分离出的冷凝液(-60 ℃) 作为脱乙烷塔的上段进料进入脱乙烷塔。脱乙烷塔的塔顶温度控制在-20 ℃，压力1.7 MPa。塔顶分离出的C1、C2、C3馏分经脱乙烷塔顶冷凝器冷却到-32 ℃后，再进入脱乙烷塔顶回流罐，这些冷凝液全部作为塔顶回流,由脱乙烷塔回流泵加压到2.0 MPa后打回塔顶部。塔顶回流罐的冷凝气进入原料气/燃料气换热器被加热后，作为分子筛的再生气，再生结束后去往配气站作为透平发电机的燃料气。塔底热源由脱乙烷塔底重沸器提供，温度控制在63 ℃。

脱乙烷塔体高28.6 m，下段直径1 500 mm，上段直径1 000 mm，塔体厚度为14 mm，设计压力2.0 MPa，设计温度-65 ℃/10 ℃，材料为304奥氏体不锈钢，总质量约为20.1 t。2014年在对该塔进行常规检查时发现，下封头上方四个筒节的塔体均出现裂纹。本工作对脱乙烷塔裂纹产生的原因进行了分析，并提出了相应的解决方法，以保证该装置的安全平稳运行。

1　裂纹检测与分析

采用渗透检测法对脱乙烷塔外表面进行了检测，标注每个裂纹的位置，确定裂纹的分布及数量，获得完整的数据，如图2所示。对该塔外表面进行渗透检测时发现，裂纹主要分布于塔底上方的第一节至第四节的筒体处，共有56道裂纹，裂纹形貌特征相似，大致呈平行状分布，长10～500 mm，深0.3～12 mm。为了分析裂纹产生的原因，对脱乙烷塔主体材料进行了形貌和成分分析，对塔体保温材料进行了化学成分分析，同时对脱乙烷塔外部服役环境进行了调研。

1.1主体材料

图3为塔体外表面一处裂纹的宏观形貌，在裂纹首尾位置取样，记为1号和2号试样。分别对1号、2号裂纹试样的表面、横截面及裂纹开裂处进行形貌观察和腐蚀产物组成分析，结果见图4～7。

由图4、5可知，表面裂纹以穿晶裂纹为主。裂纹起源于点蚀坑，有分叉现象，呈枯树枝状向深度方向扩展。裂纹存在一个主裂纹和若干个分支裂纹，这是应力腐蚀开裂的主要特征之一。由图5可见，裂纹内部存在一些腐蚀产物。裂纹开裂处及裂纹内部腐蚀产物的微观形貌如图6(a)所示，对腐蚀产物进行能谱分析，结果表明，腐蚀产物除了铁、铬、和镍的氧化物之外，还含有少量的氯元素。对断口的腐蚀产物进行酸洗除锈，观察断口的显微形貌，如图7所示，断口呈现河流花样，具有明显的脆性特征。

1.2塔体保温材料

由于工艺要求，需将脱乙烷塔塔体进行保温。保温材料选用硅酸盐棉。施工工艺为：硅酸盐棉按一定尺寸制成块状成品，安装在塔体上，用钢丝缠绕固定，外部再用钢皮包裹密封。现场情况表明，该塔上部温度在-14 ℃以下，而在中下部的温度则高达70 ℃，这说明保温材料的保温效果不好。由于塔体上下温度相差较大，长期有冷凝水从塔体往外渗漏。

保温材料中主要成分为氧、碳、硅元素，对裂纹处的保温材料取样进行能谱分析，结果见图8。从EDS分析结果看，除氧、碳、硅等主要元素外，保温材料中还含有部分氯元素以及微量的其他元素，这些元素应该是来自大气。

1.3气候特点

该终端所属岛屿气候属于南亚热带季风性气候，四周海洋环绕。年平均降雨为1 380 mm，年平均相对湿度为81.7%，受台风影响较大，年平均雾日为17.7 d。

2　讨论

从上述分析可以确定，该脱乙烷塔塔体的失效形式为氯化物引起的应力腐蚀开裂[1-3]，主要是由于塔外保温材料破损导致的。(1) 塔体各处温度不同，造成其外表面附着大量的冷凝水；(2) 保温材料破裂处的塔体材料直接与外界空气接触，空气中的氧气源源不断地溶入冷凝水中，形成腐蚀电池；同时，由于该脱乙烷塔处于海岛环境，周围空气中含有大量的Cl-[4-5]，易溶解在塔体表面的冷凝水中，使水膜的导电性增加；另一方面，由于Cl-半径小，易取代氧在塔体表面的钝化膜上发生吸附作用[6]，破坏了钝化膜溶解和修复(再钝化)的动平衡状态，溶解占优势，从而使钝化膜的稳定性和结构发生变化，促进了金属腐蚀(点蚀)作用的发生。当局部腐蚀发生时，蚀坑内氧含量下降，形成氧浓差腐蚀电池，孔内金属离子不断增加，为保持电中性，坑外Cl-进入蚀坑，坑内Cl-含量升高，金属离子发生水解产生氢离子，使坑内氢离子升高造成坑内pH下降，坑内pH可降至2～3，加速了坑内部腐蚀的进程，即发生了氯离子的自催化腐蚀效应[7-8]。

除了发生点蚀以外，还会发生以下两种腐蚀：(1) 塔体上下温差较大，又存在氧气和冷凝水膜，会形成温差电池；(2) 保温材料破损处塔体所接触的氧气较保温材料覆盖处丰富，可形成氧浓差电池。这两种电池都可能造成点蚀或其他形式的局部腐蚀。

该塔在运行时内部的压力高达2 MPa，使塔体外表面处于拉应力状态。在塔体外表面产生点蚀或其他局部腐蚀的情况下，这些位置就会产生应力集中，成为裂纹源。在塔内应力和腐蚀环境的共同作用下，裂纹源继续扩展，最终在塔体外表面形成裂纹。另外，裂纹发生的温度范围为60～80 ℃，该温度区间对304不锈钢的影响尤其严重，仅需少量Cl-就可以引起SCC[9-11]。

裂纹产生后，其内部环境与缝隙腐蚀类似，都处于强酸性的活化状态，由于裂纹较窄，裂纹内表面的溶解缓慢，形成少量的腐蚀产物。

3　结论

(1) 脱乙烷塔外表面发生开裂分为两个阶段：第一阶段，较差的保温效果导致塔体上下产生温差，造成冷凝水的析出，长期出现的冷凝水促使保温材料破坏，造成大气中的盐分与不锈钢表面发生接触，从而产生点蚀；第二阶段，塔体为压力容器，外表面长期受拉应力状态，促进了点蚀坑深处产生裂纹，即导致应力腐蚀开裂。

(2) 塔体的外防腐措施应采用新型保温材料，避免使塔体外壁产生较大温差，并及时对保温材料进行检修，以免出现破损造成塔体腐蚀。

(3) 应选用合适的低温钢材作为塔体材料。

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Corrosion Reason of a Deethanizer

LI Ying-yong

(Zhanjiang Branch, CNOOC Co., Ltd., Zhanjiang 524000, China)

Penetration method was adopted to detect the external surface of the deethanizer in an offshore oilfield terminal. The results reveal that there were 56 cracks distributed in the first to fourth sections of the deethanizer′s barrel. In order to ensure the safety in production, the main cracking causes were analyzed through the methods of microstructure observation and chemical composition analysis, and the resolutions were presented. The results show that the failure was due to SCC induced by chloride and could be resolved by replacing the materials of the thermal insulation or the deethanizer.

deethanizer; crack; corrosion analysis

10.11973/fsyfh-201609018

2015-04-15

李应勇(1972-),工程师,学士,从事内燃机及机械设备技术研究,0759-3910275,liyy6@cnooc.com.cn

TG172

B

1005-748X(2016)09-0767-04