芳烃抽提装置白土罐密排管线穿孔失效分析

摘 要：本文对某石化公司芳烃抽提装置二甲苯白土罐密排管线穿孔失效情况进行了阐述，通过对穿孔管段的化学成分分析、金相分析、扫描电镜分析和能谱分析等，认为造成该管线穿孔失效的主因是腐蚀磨损，介质的机械冲刷是辅因，同时介质中存在的大量Cl元素加剧了管壁的腐蚀，进而大大增加了腐蚀磨损速度，对此提出了对应的防腐蚀对策。

关键词：芳烃抽提;管线;腐蚀磨损;Cl元素;对策

某石化公司芳烃抽提装置采用中石化石油化工研究院抽提蒸馏工艺技术，主要由芳烃抽提，C6分馏和混合二甲苯分馏及配套公用工程组成，于2015年6月建成投产。二甲苯白土罐作为混合二甲苯分分馏单元的关键设备，起着脱除C8+芳烃中微量烯烃和杂质，保证芳烃产品酸洗比色合格的重要作用。2018年9月，因混合二甲苯产品溴指数超标，公司安排于9月9日更换新白土。9月7日-9月8日，在对白土罐D17303A切除进行蒸汽吹扫过程中，罐出口密排与出口主管线相连弯头及直管部位出现穿孔外漏蒸汽。为查找该管段穿孔失效原因，对穿孔管段进行了化学成分分析、宏观腐蚀形貌和微观金相组织分析，同时对穿孔管段内壁及腐蚀产物分别进行了扫描电镜和能谱分析，探讨了产生穿孔失效的原因，提出了对应的防腐蚀对策。

1 穿孔管线相关工艺流程和工艺条件

1.1 白土罐D17303AB工艺流程

脱C7塔C17301塔底物即C8+芳烃经泵P17301升压后进入白土塔进料/二甲苯塔底换热器E17304与二甲苯塔底物料换热后送至白土罐D17303，经过白土罐精制脱除芳烃中微量烯烃和杂质后，再进入二甲苯塔C17302进行进一步的分馏。二甲苯白土罐D17303分为A/B罐，正常操作时A/B罐采用串联与主流程联通，当日常采样发现混合二甲苯产品溴指数接近指标上限已经不满足产品脱除要求时，需要将其中一个罐进行单独切除隔离并通蒸汽和氮气进行吹扫置换，置换合格后人工对白土进行更换，以满足产品脱除要求。吹扫置换共分为蒸汽吹扫和氮气置换，首先进行蒸汽吹扫，通过设计有的DN40蒸汽吹扫管线向白土罐内通入一定流量的1.0MPa蒸汽，罐内蒸煮出的油气随着蒸汽凝水一起从罐出口密排管线进入装置密闭排放系统。蒸汽吹扫合格后，随之进行下一步氮气吹扫，通过设计有的DN25氮气置换管线向罐内通入适量0.6MPa氮气，并不断由罐出口密排管线排入装置密闭排放系统，通过对排放气样取样化验分析，来判断是否置换合格，直至达到满足人工更换白土的安全工作条件。

1.2 相关工艺条件

穿孔管段与白土罐工艺条件如表1所示。

2 腐蚀分析

2.1 化学成分分析

将穿孔管段取样进行化学成分分析，结果见表2，管段的化学成分符合GB/T-699标准中20#钢化学成分规定。

2.2 宏观形貌分析

2.2.1 穿孔部位位置

穿孔部位位于白土罐出口通往装置密排系统的密排管线与主线相连的第一个弯头处，弯头和一部分直管已呈现完全腐蚀减薄穿孔。

2.2.2 宏观分析

①从泄漏管段的外观宏观形貌看，管内壁外环处已经被冲刷掉很大一部分，该冲刷区域也是管内流体冲刷力最大处，其他部位也明显减薄，现场泄漏管内壁都有明显的被冲刷的痕迹;

②管内壁都存在明显的腐蚀积垢层，所有部位都有明显的腐蚀坑存在。

2.3 微观组织分析

为全面了解泄漏管段的微观组织状态，对管段的不同部位进行切割金相取样，分别取重度冲刷区（泄漏区域边缘），轻度冲刷区（泄漏区域对面），远离泄漏区3个部位进行微观组织分析，用5%硝酸酒精溶液对样品浸蚀后，观察各个部位的金相组织形貌，见图4、图5、图6。从金相显微镜下观察，穿孔管段在重度冲刷区，轻度冲刷区和远离泄漏区的显微组织均为铁素体+轻度球化的珠光体，组织劣化轻微。在重度冲刷区，内壁冲刷减薄处未见明显的纯机械磨损导致的晶粒严重塑性变形形貌，结合宏观表面覆盖着明显的垢层现象，说明该处的冲刷减薄为腐蚀磨损导致。在轻度冲刷区，内壁冲刷减薄区域有明显的腐蚀坑，但也未见明显的纯机械磨损导致的晶粒严重塑性变形形貌，说明该处的冲刷减薄为腐蚀磨损导致。在远离泄漏区，内壁冲刷减薄区域也有明显的腐蚀坑，该处也未见明显的纯机械磨损导致的晶粒嚴重塑性变形形貌，判断该处的冲刷减薄同为腐蚀磨损导致。

2.4 内壁扫描电镜和腐蚀产物能谱分析

考虑到重度冲刷区总体腐蚀最重，比较有代表性，我们选取重度冲刷区内壁进行扫面电镜观察其微观形态，见图7。从结果看内壁表面覆盖着明显的腐蚀垢层，未显露出金属基底，垢层整体呈疏松状。

选取重度冲刷区内部腐蚀产物进行能谱分析，定量分析腐蚀产物中的元素含量，见图8。从结果来看，内壁腐蚀产物只有Fe，O，Al，Si，Cl元素，但是Cl元素的含量高达47.78%，说明该腐蚀产物主要是Fe的氯化物和Fe的氧化物。Cl元素的大量存在会极大的提高钢的腐蚀速率，尤其是在高温条件下，Cl元素会极大侵蚀钢的基体，主要在局部发生点腐蚀，然后破坏保护性的钝化层，使腐蚀往金属深处扩展。

2.5 综合分析

冲蚀和冲刷是两个不同的概念，冲刷是材料表面单纯被机械力破坏，一般是固体粒子流冲向材料表面时，造成短程微切削和塑性变形，在微观组织上可以明显的观察到冲刷面有晶粒塑性变形损伤，该破坏，机械损伤是主因。冲蚀也叫腐蚀磨损，因为大部分金属表面都被腐蚀（氧化膜或垢层）覆盖着，当液体或气体介质流经金属表面的腐蚀层后，腐蚀层被磨掉，在介质的作用下又很快形成新的腐蚀层，然后又被磨掉，依此持续，直至材料被腐蚀破坏。腐蚀磨损是由腐蚀和机械磨损两个作用相继进行的过程。尤其在腐蚀较严重的酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，其磨损率更大，磨损痕迹更深，破坏更明显。其微观特征是磨损面微观组织没有明显的机械冲刷导致的晶粒塑性变形特征，但有明显的腐蚀形貌存在，这种腐蚀磨损腐蚀是主因。

对于本次弯管的冲刷穿孔，正是由于管内介质的腐蚀磨损造成的，从冲刷表面的微观组织及扫描电镜形貌可以确定，又由于腐蚀产物中有明显的Cl元素存在，这更会加速管道内壁的腐蚀速率，进而提高冲刷减薄管壁的速度。所以得出如下结论：

①泄漏管是腐蚀磨损造成的，腐蚀是主因，介质的机械冲刷是辅助因素;

②管内壁腐蚀物中有大量Cl元素存在，Cl在高温下能加速管壁的腐蚀，进而增大腐蚀磨损的速度。

3 防腐蚀对策

通过对管段穿孔失效原因的分析探讨，结合多年来的实际生产经验，制定了有针对性的应对策略：

①鉴于弯头和管线穿孔是腐蚀磨损造成的，结合现场实际情况，此次我们采取增加弯头和管线壁厚来提高此处管线整体腐蚀余量，弯头和管线壁厚系列由Sch80提升至Sch100，即管线和弯头规格由Φ60*5.5提高至Φ60*7;

②对Cl元素的来源进行分析。通过查阅历史检修记录和厂家资料，发现此批白土Cl元素超标，介质中的Cl元素来源于白土本身，对此我们更换了白土厂家，严控新白土的有害金属Cl元素含量;

③加强白土罐相关系统的腐蚀管理。将白土罐、罐进出口及密排管线纳入每年定点测厚范围，定期进行跟踪检测，及时跟踪掌握腐蚀磨损速率。

4 运行结果验证

自2018年9月更换厚壁弯头和管线，并更换新白土后，根据此后多次白土更换的蒸汽吹扫置换考验，定期测厚数据及2019年装置停工大检修的检查鉴定结果，白土罐相关系统管线设备至今运行良好，未发现其中特别是密排管线有明显腐蚀减薄部位。

参考文献：

[1]杨力，曾宏，王汉军，王延明.芳烃抽提装置苯塔402空冷出口管线失效分析[J].石油化工腐蚀与防护，1999，16（3）： 19-21.

[2]朱娟，张乔斌，陈宇，张昭，张鉴清，曹楚南.冲刷腐蚀的研究现状[J].中国腐蚀与防护学报，2014，34（3）：199-201.

[3]鲁滨.管道冲刷腐蚀的原因分析及处理[J].广东化工，2015， 10（42）：164-164.

作者简介：

方小刚，中级工程师，设备副主任，从事设备管理工作。