减压分馏塔塔顶蒸汽喷射泵的失效原因

2021-03-26田继升王立达刘志梅王广洲周英正刘贵昌

腐蚀与防护 2021年2期

田继升,王立达,刘志梅,王广洲,周英正,刘贵昌

(1.大连理工大学，大连 116024;2.山东京博石油化工有限公司，滨州 256500;3.黄河三角洲京博化工研究院有限公司，滨州 256500)

蒸汽喷射泵是一种无活动部件的真空泵，它以高速蒸汽作为驱动力，为目标系统抽真空。蒸汽喷射泵由五部分组成：喷嘴、吸入室、混合段、喉管段和扩散段，如图1所示。蒸汽喷射泵的喷嘴是拉瓦尔喷嘴，这种结构可使工作蒸汽在压力差的作用下加速到超声速进入喷射泵，从而使蒸汽的静压转换成动压，在泵内产生负压。与传统机械泵相比，蒸汽喷射泵结构简单、能耗低、可靠性高，被广泛应用于工业生产中，如制冷系统[1-4]、燃料电池系统[5]和多效蒸馏系统[6-7]。

图1 蒸汽喷射泵的结构Fig.1 Structure of steam jet pump

某石化企业减压分馏塔塔顶蒸汽喷射泵在服役三个月后即发生泄漏失效，检查发现蒸汽喷射泵内壁减薄，扩散段在拆卸过程中由于严重减薄导致断裂，如图2所示。该蒸汽喷射泵主要为减压塔提供真空度，由SAF 2205双相不锈钢制成。该喷射泵的工作蒸汽为饱和水蒸气，入口温度为160 ℃，压力为0.5 MPa；引射蒸汽为减压塔塔顶气，内含HCl、H2S等酸性气体及水蒸气，入口温度为60 ℃，压力为-0.095 MPa(表压)；喷射泵出口流体的温度为40 ℃，压力为-0.086 MPa(表压)。

为明确失效原因，本工作对该泄漏失效的蒸汽喷射泵进行了一系列理化检验,并提出了失效机理及防护建议，为同类失效模式的分析与防护提供参考。

(a) 断裂

1 理化检验与结果

1.1 宏观检验

将失效蒸汽喷射泵拆卸并剖开后，可以清楚地观察到泵体内壁布满了大量的凹槽状痕迹且覆盖有一层褐色沉积物，扩散段的内壁发生严重减薄及变形，喉管段和混合段壁面也存在不同程度的减薄，但未出现变形和断裂，如图3所示。

图3 失效蒸汽喷射泵内壁腐蚀形貌Fig.3 Corrosion morphology of inner wall of failed steam jet pump

1.2 化学成分分析

采用Shimadzu XRF-1800 X射线荧光(XRF)光谱分析仪对失效蒸汽喷射泵的材料进行成分分析，结果如表1所示。结果表明：失效蒸汽喷射泵含22.22% Cr(质量分数，下同)、5.10% Ni、3.38% Mo，均符合SAF 2205双相不锈钢的执行标准。

表1 失效蒸汽喷射泵的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of failed steam jet pump (mass fraction) %

1.3 微观腐蚀形貌观察

采用ZEISS Ultra 55场发射扫描电子显微镜(SEM)对失效喷射泵混合段和扩散段表面腐蚀形貌进行观察，结果如图4所示。结果表明：扩散段和混合段的表面存在大量片层状和阶梯状的结构；在片层结构间出现了结构缺失，导致了片层间隙的产生；在扩散段表面出现大量由机械应力引发的结构变形，例如片层的折叠、弯曲以及断裂；在片层结构表面，出现可被观察到的晶界结构，这表明片层结构的强度同样可能出现下降。

1.4 金相分析

从蒸汽喷射泵失效部位切割取样，试样尺寸为8.6 mm×8.6 mm，由于减薄程度不同，试样厚度从0.5 mm到3.5 mm不等。将试样镶嵌于环氧树脂中，依次用200号、600号、1000号、1 500号SiC砂纸打磨，并抛光。然后，根据GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》对试样进行刻蚀。刻蚀液为用10 g铁氰化钾粉末和15 g氢氧化钾粉末溶解于100 mL去离子水中配制的混合溶液。在(90±2 )℃的恒温水浴中，将试样置于刻蚀液中浸泡30 min。然后依次用去离子水和异丙醇洗涤刻蚀面，通过Olympus BX51M金相显微镜观察刻蚀试样剖面的显微组织，结果如图5所示。

由图5可见：经过铁氰化钾刻蚀后，铁素体被染色，为图中较暗区域，而奥氏体未被染色，为图中明亮区域；在未被腐蚀的正常SAF 2205双相不锈钢中，铁素体与奥氏体相互堆叠，交替排列，如图5(d)所示；失效蒸汽喷射泵的混合段、喉管段和扩散段均发生选择性腐蚀，发生溶解的为铁素体，残留的为奥氏体。

(a) 混合段 (b) 混合段

(a) 混合段，剖面 (b) 喉管段，剖面

1.5 腐蚀产物分析

采用INCA+CH5-59630能谱分析仪(EDS)对失效蒸汽喷射泵表面腐蚀产物进行分析，结果如图6所示。结果表明：腐蚀产物的主要成分为铁和铬的氧化物；同时，腐蚀产物中硫元素和氯元素的含量较高。

图6 失效蒸汽喷射泵表面腐蚀产物的EDS分析结果Fig.6 EDS analysis results of corrosion product on surface of failed steam jet pump

硫元素的主要来源是原油中的有机硫，如硫醇、硫醚、二硫醚等。有机硫在减压精馏的过程中转化为H2S。H2S相对减压塔内其他组分为轻组分，在减压精馏塔的传质作用下向塔顶富集。

而氯元素在原油中以两种形式存在：无机氯和有机氯。原油中含有的大部分无机氯可以通过电脱盐工艺脱除，但有机氯无法用这种方式脱除。同时，有机氯在减压精馏过程中会与水作用，生成HCl。同时，电脱盐过程中残留的无机氯也会生成HCl，HCl经过传质过程富集在减压塔塔顶。因此，在运行期间，减压塔塔顶一直处于HCl和H2S气氛中，这种酸性气氛为蒸汽喷射泵失效的重要原因之一。上述结果也证明，腐蚀产物的产生与蒸汽喷射泵的腐蚀及减压塔顶的H2S-HCl-H2O腐蚀环境有着密切的联系。

2 失效原因分析

基于以上结果，SAF 2205双相不锈钢在HCl-H2S-H2O环境中的选择性腐蚀是造成喷射泵失效的主要原因。在SAF 2205双相不锈钢中，铁素体含23.66%(质量分数，下同)Cr，1.83% Mo，高于奥氏体的20.59%和1.41%，而奥氏体中的镍质量分数为6.91%，高于铁素体中的(4.67%)；同时，在2 mol/L H2SO4+0.5 mol/L HCl混酸中，奥氏体相的电位略高于铁素体相的，二者有着15 mV的电位差[8]。因此，在酸性环境中，奥氏体相和铁素体相之间的电位差会使双相不锈钢发生电化学腐蚀，加速了铁素体相的溶解。同时，与其他双相不锈钢(如SAF 2507双相不锈钢和SAF 2707双相不锈钢)相比，SAF 2205双相不锈钢在酸性溶液中无法产生可能成为钝化膜前体的吸附膜[9]。失效蒸汽喷射泵的工作温度为40～60 ℃，该温度低于蒸汽喷射泵工作压力下的水蒸气露点。因此，喷射泵在工作过程中会出现冷凝液滴，液滴溶解气相中的HCl及H2S，形成酸性液滴。根据文献[10]报道，在HCl溶液和HCl/H2SO4溶液中，SAF 2205双相不锈钢显示出强烈的选择性腐蚀倾向，酸性液滴中的HCl对SAF 2205不锈钢的选择性腐蚀起决定性作用。同时，在常温下对SAF 2205双相不锈钢无威胁的酸性介质，在喷射泵的工作温度(60 ℃)下同样会使SAF 2205双相钢产生强烈的腐蚀倾向[11]。综上，在喷射泵内形成的酸性液滴会使泵体发生选择性腐蚀。图4中片层状结构的晶界纹路也表明，酸性液滴对残留的奥氏体同样有一定的腐蚀作用，从而造成奥氏体的强度下降。

从以上分析可以看出，喷射泵在酸性液滴的作用下发生选择性腐蚀，铁素体溶解，残余的层状奥氏体在高速流体的作用下折叠、弯曲并最终断裂。当奥氏体因冲刷而脱落后，喷射泵内壁新鲜的铁素体又暴露在酸性液滴中，继续被腐蚀。上述过程形成恶性循环，使得蒸汽喷射泵的内壁迅速变薄。