大化肥装置冲刷腐蚀分析研究

王锡海

(重庆建峰化工股份有限公司 重庆 408601)

1 冲刷腐蚀概述

冲刷腐蚀是一种常见的自然现象，比如河水中常见的鹅卵石，屋檐下带洞的石板等，都是冲刷腐蚀的结果。成语“水滴石穿”就很好地反映了冲刷腐蚀现象。“冲刷”体现着流体对障碍物表面的物理作用，而“腐蚀”则体现着流体对障碍物的化学作用。

“水滴石穿”从物理作用方面解释是，当水从高处滴下，重力势能转化为动能，冲击石头，对石头表面做功。虽然水滴做的功很小，但随着时间流逝，石头表面开始形成凹陷，继而最终把石头滴穿。“水滴石穿”从化学作用方面解释是，空气中的二氧化碳溶于水，在石头局部表面形成碳酸，与石头中的碳酸钙发生下列化学反应：

CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2

反应生成的碳酸氢钙易溶于水，造成石头表面逐渐被溶解，形成对石头的化学腐蚀。如果空气中含有二氧化硫，形成的酸雨对石头的化学腐蚀会更严重[1]。

从这个意义上讲，冲刷腐蚀体现了流体对障碍物的物理和化学联合作用，单纯的物理和化学作用都不构成冲刷腐蚀。在石油化工行业，冲刷腐蚀表现为金属表面与腐蚀流体之间由于相对运动引起的设备及管道破坏、损伤。

2 冲刷腐蚀的影响因素

冲刷腐蚀主要是针对流体约束物来讲。冲刷腐蚀的主体是流体，包括液体和气体，冲刷腐蚀的客体是约束流体的物体，一般为固体。自然界存在的雨水、河流就是冲刷腐蚀的主体，而道路、沟渠、桥梁、河岸等就是冲刷腐蚀的客体。在工业化生产中，各种工艺介质是冲刷腐蚀的主体，而管道、容器、设备等是冲刷腐蚀的客体。随着材料性能的改善，客体耐冲刷腐蚀能力逐渐提高，如泥沙、水泥、钢材的耐冲刷腐蚀性能越来越高。冲刷腐蚀的影响因素，实际上是指流体对约束物的影响因素，主要包括以下几个方面[2]。

2.1 流速

根据物体动量定理，流速越快，对流体约束物的物理冲击作用越强，造成分子键断裂而剥离的分子越多，在流体的化学作用下，造成的腐蚀越快。一般来说，流速与冲刷腐蚀成正向关系。

2.2 流态

流体流态有层流和湍流，层流对流体约束物几乎不产生冲刷，而湍流对流体约束物会产生二次回流等流态，严重冲刷流体约束物。湍流在高流速边界及设施、设备管道截面突变和流体流向突变处产生，设备设施的破坏也多发生在这些地方。

2.3 流相

流体流相一般为气相或液相，固相一般存在于气相或液相中。纯单相的流体在现实生活中是比较少见的，更多的是气相和液相的混合体，偶尔流体里夹杂不溶物，形成三相混合体。实践证明：在相同条件下，单一流相流体对流体约束物的影响最小，其次是气液两相混合体，三相混合体对流体约束物的冲刷腐蚀最大，且能使流体临界流速下降。

2.4 流体的腐蚀性

腐蚀是流体对约束物的一种化学反应，腐蚀性是指流体对约束物发生化学反应的强弱性能。常见的腐蚀流体有硫酸、硝酸、氢氯酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸等，化工生产中的腐蚀流体还有各种碱液、甲铵液、尿液等。生产实践证明：流体的腐蚀性越强，对同一种约束物的腐蚀越严重，造成的冲刷腐蚀越大；不同温度下，流体的腐蚀性也有所不同，所以选择约束物材料还要考虑流体运行时的温度。

由于空气中氧和二氧化碳的存在，流体对约束物的腐蚀或多或少会发生，而冲刷对腐蚀会起到加速推进的作用。冲刷对腐蚀的加速作用体现在：一是促进去极化剂(如氧)到达金属表面和腐蚀产物从表面离开；二是高速流引起的切应力和压应力使表面膜减薄、破裂，形成局部差变电池；三是保护膜局部剥离，露出新鲜基体，在孔洞处形成电偶腐蚀。

2.5 流体约束物材料的耐蚀性能

流体约束物的材料很多，自然界的泥土、砂石、木头等都是流体约束物，随着科技进步，钢铁、塑料、玻璃、水泥等成了主要的流体约束物。一般来说，随着材料硬度的提高，约束物的耐冲刷性能也在提高；但由于材料的化学特性不同，流体在各种约束物中的腐蚀表现也不一样，并不以材料的硬度为耐蚀性指标。玻璃、塑料等材料的耐酸碱能力强，但塑性强度低，不耐高温；钢铁中的碳钢材料不耐酸碱腐蚀，但强度高，耐高温。随着材料科学的发展，不锈钢、双相钢、有色金属和重金属等耐蚀材料不断涌现，其耐蚀性能也不断得到提高。图1为碳钢和不锈钢的二氧化碳腐蚀速率曲线，很明显，不锈钢的耐蚀性能远优于碳钢。

图1 碳钢和不锈钢腐蚀速率曲线

在相同的外部条件下，碳钢的二氧化碳年腐蚀速率大于2.5 mm，而不锈钢的二氧化碳年腐蚀速率小于0.2 mm。随着冶金技术的成熟和耐蚀成本的下降，不锈钢等耐蚀材料得到了越来越多的应用，为工业生产的安全、稳定运行起到了良好的促进作用。

2.6 设备设施的结构影响

设备设施结构对流体冲刷的影响主要表现在3个方面。

(1)结构变向形成流体直接冲刷。流体在约束物中的流动沿直线阻力最小，当流体在设备设施中突然改变直向流动时，由于惯性作用，流体会直接冲击变向的约束物内壁，加速此处的冲刷腐蚀。变向结构见图2，主要为生产装置中常用的弯头、三通、Y形管件等。

图2 变向结构

图3 孔板流体的二次回流

(2)设备流通截面突变形成的二次回流见图3。二次回流一方面造成设备效能下降，另一方面会加速流体对约束物的冲刷，造成约束物损伤或破坏，使用寿命缩短。流通截面突变在生产中表现得比较多的是管道中的调节阀、流量孔板等。

(3)约束物表面存在的不光滑缺陷加速流体湍动。不光滑缺陷主要表现为壁面小坑、线坑、凸点等，这些缺陷一方面是在制造中产生的，另一方面是由于局部腐蚀剥离后产生的。流体在微坑中流动时首先会加速流体的湍动，随着时间的延长，微坑逐渐变大形成小坑，产生二次回流，加速约束物壁面的损坏。

3 大化肥装置的运行特点

3.1 介质流速大

大化肥装置将原料天然气转化为氢气/氮气，进一步合成为氨气，再与二氧化碳反应生成尿素，是一个持续的生产过程。在此过程中，各种介质处于不停的流动状态，由于输送压差大，介质在设备、管道内的流速普遍为70～80 m/s，最高接近120 m/s，造成设备、管道长期处于高度冲刷状态[3]。

3.2 混相流多

大化肥装置中的流动介质种类很多，但流相主要是液体和气体，由于设备、管道固体残渣及腐蚀剥离，且流体在各压力状态下的沸点、凝点、闪点不同，严格来说没有绝对的单相流，绝大多数流动介质都为两相流或三相流，对设备、管道的冲刷腐蚀影响非常大。

3.3 介质腐蚀性强

大化肥装置中的流动介质，除合成氨装置的原料天然气、空气、氢气/氮气、气氨、液氨、蒸汽、蒸汽冷凝液、水等物质腐蚀性较弱外，装置中的二氧化碳、甲铵液等是强腐蚀性介质，对设备、管道的材料耐蚀要求非常高。

3.4 管路控制元件多

大化肥装置的反应压力、温度非常高，在介质的流转过程中，压力、流量控制元件非常多，如各种调节阀、泄压孔板、流量孔板等，管道内存在大量的二次回流，严重冲刷设备和管道内壁。同时装置的紧凑布置和不同设备标高使用了大量弯头、三通等变向管路元件，造成这些管路元件直接受到流体冲刷。

3.5 设备结构设计影响因素多

大化肥装置的设备设计，除满足强度和使用功能外，介质的腐蚀性也是必须考虑的因素之一，特别是尿素装置的设备，一般采取的防腐蚀措施是增设耐蚀复合层或耐腐蚀衬里。而对于管壳式换热器的设计，管侧和壳侧介质的选择对于设备的结构设计、材料选用影响非常大；很多时候，不管腐蚀介质走管侧还是壳侧，都不可能完全避免冲刷腐蚀。

3.6 设备设施选材与投资的矛盾

大化肥装置是一个庞大的系统工程，涉及的投资非常大，要在技术可行与投资效益最优化下进行设计，对于设备、管道的选材就要量力而行。尽管随着技术进步，不锈钢等耐蚀材料价格已有所下降，但不锈钢比碳钢依然还有4～5倍的价差，装置全部或大部分设备、管道选用不锈钢，需要的投资较大，因此碳钢仍是主要的选材之一，如装置的汽包、蒸汽管道、蒸汽冷凝液管道等几乎全部选用碳钢材料，这给装置后期因冲刷腐蚀造成的运行维护带来成本压力。

4 大化肥装置的冲刷腐蚀状况

基于大化肥装置的运行特点，新装置从运行开始就受到介质冲刷腐蚀影响，最快在2年内就会因冲刷腐蚀出现管道泄漏。装置的日常维护工作50%以上是处理冲刷腐蚀的漏点，而更严重的冲刷腐蚀往往造成设备效能下降，甚至形成不可逆破坏，造成安全事故，引起装置停车，产生巨大的经济损失。大化肥装置的冲刷腐蚀状况主要如下。

4.1 管道弯头普遍存在冲刷腐蚀减薄穿孔

由于受到流体变向的直接冲刷，管道弯头是大化肥装置运行最薄弱的环节之一，装置最早的泄漏也往往从受到冲刷腐蚀的弯头穿孔开始。高压、高流速以及腐蚀性流体对弯头的冲刷，会很快造成弯头的内壁面脱落，随着冲刷的持续进行，弯头最终减薄穿孔。

同时，弯头焊缝由于焊肉凹凸产生二次回流，以及焊缝区热应力残留、组织晶粒粗大，耐蚀性降低，也易出现冲刷腐蚀泄漏。

4.2 汽提塔分布管的冲刷腐蚀造成设备效率下降

汽提塔是尿素高压圈分离浓缩尿素的关键设备，无论是氨汽提工艺还是二氧化碳汽提工艺，分布管都是影响分离效率的核心内件。受工艺流体，特别是高压甲铵液的冲刷腐蚀，分布管存在严重的冲刷腐蚀。

冲刷腐蚀造成两个后果：一是热影响区形成线状缺口，影响流体的下液状态；二是分布管进液孔扩大，影响流体在列管中的成膜，降低分离效率。

4.3 池式冷凝器管板孔的冲刷腐蚀危及设备安全

池式冷凝器是斯塔米卡邦二氧化碳汽提法尿素工艺的关键设备，与斯那姆氨汽提法尿素工艺不同的是，工艺介质流经设备的壳侧，而产生蒸汽的冷凝液流经管侧，为避免列管与管板的间隙腐蚀，列管与管板采用了如图4所示的深孔焊专利技术。

图4 列管深孔焊示意图

深孔焊是将管板的耐蚀堆焊层加工成管头，与列管进行对接焊的一种焊接工艺，列管本身不穿透管板，列管和管板形成不了间隙，消除了间隙腐蚀；由于列管不穿透管板，列管对管板孔的保护套作用也就失去了，管板孔受到了管侧冷凝液及蒸汽的直接冲刷腐蚀，管板孔逐渐剥离变大，形成了一种不可逆转的破坏。

重庆建峰化工股份有限公司尿素装置自2012年投入运行以来，池式冷凝器受管侧蒸汽的冲刷腐蚀，管板孔明显扩大，出口端管板孔最小孔径Φ21.20 mm，最大孔径Φ23.40 mm，平均孔径Φ22.46 mm，其中孔径Φ23.10～23.40 mm的管板孔占比3.09%；进口端管板最小孔径Φ21. 30 mm，最大孔径Φ23.00 mm，平均孔径Φ22.04 mm，其中孔径Φ22.50～23.00 mm的管板孔占比2.82%。随着管板孔的扩大，冲刷腐蚀有加速扩展的趋势。

更为严重的是随着管板孔的扩大，管板孔之间的“管桥”逐渐剥离形成空洞，使管板的承压作用消失，一旦壳侧的高压甲铵液泄漏进入管侧，会造成严重的设备安全事故。某化肥企业池式冷凝器管板孔的冲刷贯穿腐蚀情况见图5。

图5 池式冷凝器管板孔的冲刷贯穿腐蚀

管板孔的冲刷贯穿腐蚀会造成设备的整体报废，直接经济损失将高达近亿元。

4.4 真空分离器内件的冲刷腐蚀造成水解系统出液不达标

真空分离器是浓缩尿素的主要设备(见图6)，其主要特点是在分离器的下端布置了尿液预热器，在分离器内设计了倒伞状的流体反射板。尿液经预热器加热后自下而上形成液膜状向上飞洒，经过反射板后，浓缩尿素溶液从分离器的下部流出，分离出的气体通过喷射器从分离器的上部抽至水解系统进行分解回收。

图6 真空分离器

运行时，反射板受到尿液和分离气的直接冲刷，又因为尿液中含有腐蚀性物质甲铵，分离器内件常受到冲刷腐蚀破坏。分离器内件被冲刷腐蚀后，大量的尿素进入水解系统，造成水解出液不合格，系统被迫停车检修。

4.5 二氧化碳的冲刷腐蚀使分离器效率下降

合成尿素需要将二氧化碳压力提高至15 MPa左右，二氧化碳压缩机一般设计为双缸四段，为了控制温度，在压缩机段与段之间设计了冷却器和分离器。运行时，分离器内的除沫钢丝网受到二氧化碳水汽的冲刷腐蚀，丝径变小，孔隙率增大，造成二氧化碳水汽分离效率下降，致使大量含水的二氧化碳进入压缩机，引起压缩机的二氧化碳冲刷腐蚀。

重庆建峰化工股份有限公司二氧化碳压缩机低压缸冲刷腐蚀情况见图7。压缩机低压缸隔板和缸体流道遭到严重的二氧化碳冲刷腐蚀破坏，改变了压缩机运行时的流体动力特性，造成流体旋转失速，引起转子振动联锁跳车。同时二氧化碳腐蚀降低了缸体的承载能力，产生了严重的设备安全隐患，影响装置的安稳长满优运行。

图7 二氧化碳压缩机低压缸冲刷腐蚀情况

4.6 驱动流体的冲刷腐蚀使透平效率下降

大化肥大机组的驱动，空压机采用的是燃气透平，其余压缩机采用的是蒸汽透平。不管是燃气透平还是蒸汽透平，驱动流体都是通过喷嘴射流做功。尽管流体的腐蚀性不强，但喷嘴在高流速下受到的冲刷也非常严重(见图8)。喷嘴的冲刷腐蚀产生的设备安全事故虽然不大，但驱动流体做功效率下降，必然导致消耗增加，累积的经济损失也非常大。

图8 透平喷嘴的冲刷腐蚀

5 冲刷腐蚀研究的目的及措施

5.1 冲刷腐蚀研究的目的

冲刷腐蚀是流体流动的必然现象，只要有流动，就会有冲刷，而不同流体的化学特性对约束物会产生或强或弱的化学腐蚀，随着时间延长，对设备、管道会产生破坏性后果。冲刷腐蚀研究的目的就是通过材料改进、结构改进、布置改进等措施提高装置设备、管道的耐冲刷腐蚀性能，最终达到延长设备、管件的使用寿命，降低生产成本的目的[4]。

5.2 提高防冲刷腐蚀的措施

大化肥装置的冲刷腐蚀，对具体设备、管件的破坏往往是多种因素的综合结果，提高设备的防冲刷腐蚀，应根据具体的使用条件因地制宜地进行分析处理。针对整个装置，可采用以下提高防冲刷腐蚀的措施。

5.2.1 合理的设计布置

流体的缩口射流会加速设备管件的冲刷腐蚀，大化肥装置的调节阀及孔板是产生射流的主要场所，装置的冲刷腐蚀泄漏点也主要发生在调节阀或孔板处的弯头焊缝或弯头本体上。避免流体射流影响的措施就是在设计时，合理布置调节阀或孔板，应在调节阀或孔板后至少保留3～5倍管径的直管段，避免喷射流直接冲刷管件。

5.2.2 适当增大壁厚

流体的冲刷腐蚀是一个过程，在冲刷腐蚀速率一定的情况下，器壁越厚，从开始腐蚀到出现泄漏的时间就越长。设计时，应适当考虑增大易受冲刷的设备管道的壁厚，如调节阀、孔板后的大小头，承受变向流的弯头，可以选用压力等级高一级的材质来增大壁厚；承受严重冲刷腐蚀的换热器列管，可以选用高一等级或定制加厚的换热管来延长使用寿命。

5.2.3 增加耐蚀材料使用

在建设资金充足的情况下，一些使用碳钢的蒸汽或冷凝液管优先选用不锈钢等耐蚀材料，受冲刷腐蚀的塔设备尽量选用不锈钢复合层，二氧化碳压缩机缸体、隔板全部采用不锈钢衬里，池式冷凝器管板孔设计加工时增设不锈钢管衬里等，这些措施都可以提高耐流体冲刷腐蚀的能力。尽管建设资金高一些，但将极大地降低投运后的维护费用和停车风险。

5.2.4 定期检测

坚持定期对设备进行检查、检测。利用装置大修、中修等机会，对设备进行全面的检查，特别是对冲刷腐蚀的检查、检测，发现问题及时处理，可避免因冲刷腐蚀扩大而发生设备安全事故和系统突发的停车损失。

6 结语

依据在长期的生产活动中对大化肥装置的冲刷腐蚀研究积累的经验，虽然有效控制了系统因冲刷腐蚀造成的维护费用浪费和停车损失，但流体的高速、高压和腐蚀性使设备遭受的冲刷腐蚀仍长期存在，采用新技术、新材料、新工艺、新设备，可在短期内延缓设备的损坏，却不能避免设备的长期受损。因此，找到一个安全可行、经济效益可取的解决方案，是设备管理人员的重要任务。