加氢反应器冷却器管束腐蚀失效分析研究

(洛阳石化工程设计有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

长期运行中，加氢反应器一直处于高温、高压、临氢、高温硫和硫化氢环境，其使用条件极为严格，因此增加了设计和制造的难度。多年来，国内外对其设计、材料和制造技术进行了大量的理论研究和工程实践。作为有机化学实验室和实际生产过程中的一项重要设备，加氢反应器不单单可用于加氢反应的容器，还可用做充分混合液体和气体的场所。在石油化工行业，加氢过程可用于加氢裂化，同时也可用于加氢精制，以脱除油品内的杂质，如含氧、硫、氮等杂质，并使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，从而提高油品的质量。在加氢处理环节，往往需要通过氢反应器冷却器对加氢反应器物料温度进行严格控制。作为加氢系统的重要设备，如冷却器管束出现腐蚀失效问题，必定会影响加氢效果，甚至产生更严重的危害。为此，必须重视冷却器管束泄漏问题，采取科学、有效的措施进行防护，从而保证装置长时期安全平稳运行。

1 案例分析

某石油化工装置在生产时，需要进行加氢工艺处理，为有效控制加氢反应器物料温度，必须在加氢反应器前安设加氢反应器冷却器，根据装置情况，决定采用H-603型冷却器，其为“U”型管换热器，采用20#钢为管束材料，各项参数为管板材料为16MnⅢ；壳体材料20R；管程介质为树脂液；壳程介质为矿物油。但在2017-2018年运行期间先后出现了3次管束腐蚀泄漏情况，决定通过宏观检查、化学分析等方式来找出冷却器管束泄漏原因，以此减少对加氢效果的影响。

2 加氢反应器冷却器管束腐蚀失效情况分析

2.1 冷却器检修情况

加氢反应器冷却器在使用一段时间后，于2017年8月24日发生泄漏，后于2017年11月3日、2018年8月17日再次发生3次泄漏。致使装置非计划停工检修3次，经本文以其中一处设备位号A进行检修分析，具体检查结果如下。

1)2017-8-25检修时，发现冷却器堵管4根，其中泄漏较大为1根，其余微漏3根，管板微漏6处。

2)2017-11-4检修时，发现冷却管堵管2根，其中泄漏较大为1根，1根微漏，管板微漏2处。

3)2018-8-18检修时，发现冷却管堵管10根，其中泄漏较大为1根，9根微漏，管板微漏17处。

由此可知，管板位置微小裂纹较多，且管束内壁腐蚀情况严重。

2.2 宏观检查

在冷却器腐蚀失效之后，通过观察其外表面状态，未见明显腐蚀穿孔情况，仅局部存有点状腐蚀坑，深度在1.0 mm以内，腐蚀轻微。

在3次消漏检修过程中发现，每次都有管束存在腐蚀泄漏情况，因此，可以认为管束内表面才是导致腐蚀失效的主因。

同时，有大量盐类结晶物附着于泄漏管束周围的管板表面，因此，可认为，在管束和管板连接位置也存有管束腐蚀失效的可能。

2.3 化学分析

2.3.1 硫腐蚀

硫是原料的一种，因此必定会产生硫腐蚀情况，且贯穿整个生产寿命周期。即便是具有较低含量的硫，同样会腐蚀设备，仅是腐蚀程度轻重的问题，且这种腐蚀会存在于装置的各个部位。此外，硫腐蚀并非单独存在，在其他腐蚀性介质的影响下，如水、氯化物等，相互作用之后，将大大增加腐蚀环境的复杂性。

2.3.2 氯离子腐蚀

基于生产需求，往往需要将一定量的含氯助剂注入到前系统内，因此难免会存在氯离子腐蚀情况，这也是导致管束腐蚀的主要原因。在对金属腐蚀中，氯离子多会构成腐蚀电池，或形成去极化作用。当氯离子浓度增加，则水溶液的导电性将会随之增强，此时电解质的电阻则会大幅降低，这种情况下，氯离子就会越容易附着于金属表面，从而导致腐蚀速度加快。若氯离子存于酸性环境中，则会有一层氯化物盐层附着于金属表面，这也就是量盐类结晶物附着管板表面的直接原因。

2.3.3 电化学腐蚀

当物料未进入冷却器之前，需要经过多道工序处理，这种情况下，物料内将含有大量电解质。由于采用20#钢作为换热器管束的材料，此时，在物料、 碳钢、杂质等条件相互作用下，极易形成原电池效应，从而引发电化学腐蚀。

由此可见，冷却器腐蚀失效的原因在于HCl+H2S+H2O型腐蚀环境和电化学腐蚀的共同作用，其中最主要的影响因素为电化学腐蚀。

3 加氢反应器冷却器管束腐蚀失效处理措施

为了进一步提升设备运行效率，必须及时解决腐蚀问题。管束内涂抹防腐涂层是一种最有效的防腐方法，为此，必须选择合适的涂层，并提高涂层施工质量，最大限度延缓管束失效时间，降低腐蚀风险。根据上述原因分析，决定采用钛纳米技术进行加氢反应器冷却器管束腐蚀失效处理。传统防腐涂层表面一般具有较大孔隙率，因此，腐蚀介质很容易由此孔隙浸入涂层。伴随腐蚀时间的不断增加，腐蚀将由点逐步向片状转化，最终腐蚀面积越来越大。通过这些孔隙及缺陷，大量腐蚀介质溶液也将到达界面处，从而又有大量腐蚀产物产生于基体内部，致使涂层失效，破坏基体。

而钛纳米聚合物涂层却有所不同，所需破坏时间更长。因为此类涂层内为纳米尺度，耐腐蚀性能良好。在制备涂层时，能够和涂层的基料具有良好的相容性，可以制备出均匀致密的钛纳米聚合物涂层，减少涂层缺陷。此外，此类涂层具有一定疏水性，在涂层表明不易吸附腐蚀介质，因此具有良好的耐蚀性。由其附着力分析，基体能够充分结合涂层，以此达到保护基体的作用，这也展示出了钛纳米聚合物涂层的良好防护性能。

因此，2018年9月，将钛纳米聚合物涂层设于换热器管束内表面及管束管板表面， 来达到防腐作用。经过1年多的考察可见，涂层未产生锈蚀、脱落等情况，涂层表面无明显变化，充分展现出了钛纳米聚合物涂层的良好防护效果与服役性能。

4结语

作为化工工业中的基干工业，石油化工在国民经济中占有极为重要的地位。随着石油和化工等行业的迅速发展，加氢反应压力容器的设计与制造愈发受到研究者的重视。加氢反应器是压力容器的一种，在原油炼制领域有着举足轻重的作用，其工作和使用条件十分严格，经常伴随着高温和高压的工作环境，在实际工作时，反应器承受着巨大的热应力和机械应力。加氢反应器前冷却器用于控制加氢反应器物料温度，若出现管束腐蚀失效问题，必定影响整个设备运行的质量及安全。为此，必须重视加氢反应器冷却器管束腐蚀问题，找出腐蚀失效原因，结合当前发展情况，合理选择防腐材料，如钛纳米聚合物涂层，此类材料具有良好的防护效果与服役性能，可有效提升设备防腐能力，减少故障发生几率，保证生产活动持续、稳定开展。