净化厂换热器腐蚀影响因素及原因分析

2022-03-02黄刚华范锐曹军黄丽华

石油与天然气化工 2022年1期

黄刚华范锐曹军黄丽华

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.国家能源高含硫气藏开采研发中心 3.中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地 4.中国石油西南油气田公司

川渝某天然气净化厂有多台换热器，包括贫液后冷器、酸气后冷器、除盐水冷却器等，起到冷却胺液、酸气等净化厂物料的作用。换热器的结构均为列管式，材料均为20#碳钢，换热器管程为循环冷却水，壳程为物料。投产3年后，发现多台换热器腐蚀现象较为明显，部分换热管甚至存在堵塞现象。水压试漏也显示部分换热管存在泄漏现象，所有涉及循环水系统的换热器整体运行状况较差，威胁着净化厂的稳定运行，因此有必要开展换热器腐蚀影响因素与原因分析，为换热器的稳定运行提供决策依据。

1 换热器腐蚀状况与原因分析

1.1 腐蚀挂片监测

为了掌握换热器的内腐蚀状况，在循环水的凉水池进行了长期的腐蚀挂片监测，用以反映换热器管束内的腐蚀状况，并通过失重及外观来评估系统的腐蚀状况。腐蚀速率结果见表1，试片的图片见图1。

腐蚀挂片监测结果表明，3个月的腐蚀速率均高达0.147 0 mm/a，超过了GB 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》的要求(小于0.075 mm/a)，未清洗的试片表面腐蚀产物较多，清洗后能明显地看到局部腐蚀。腐蚀挂片监测数据表明换热器面临的腐蚀风险较高。

表1 现场挂片腐蚀速率挂片时间/天腐蚀速率/(mm·a-1)300.184 9700.155 9900.147 0

1.2 换热器管束失效分析

为了进一步明确换热器的腐蚀状况，大修期间对循环水系统的1台贫液换热器打开进行了分析，换热器端盖外观如图2所示，换热管端口外观如图3所示。外观分析表明，换热器端盖和换热管端口表面较为类似，表面沉积物较多，沉积物外观表现为土黄色，沉积物较疏松，通过坚硬物质可去掉。端盖和端口表面均有很多凸起的地方，如图2(a)中很多小凸点。经过擦洗，可发现凸起沉积物下明显有斑状局部腐蚀。

经过水压试漏检测发现，换热器存在泄漏现象。选取换热器泄漏的一根管束，剖开后，内表面、外表面、泄漏孔部位的图片如图4所示，外表面看起来腐蚀较为轻微，整个内表面腐蚀较为严重，换热管束减薄明显，泄漏孔也比较明显，腐蚀产物呈层状，比较容易去掉，外观表现为土黄色或者黄褐色，腐蚀现象较为明显。

选取图4换热管穿孔部位的内外管和未穿孔部位的内外管位置，按照 GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》进行金相分析，金相放大倍数为500倍，如图5所示。分析结果显示，穿孔部位和未穿孔部位腐蚀产物均比较多，腐蚀产物分为两层，外层为红褐色，内层则为褐色。比较不同部位的腐蚀产物膜的厚度发现，整个换热管内表面均已被腐蚀，局部可见大的坑或孔，整个管束的腐蚀产物厚度为H未穿孔，内>H穿孔，内≈H穿孔，外>H未穿孔，外，换热管的内表面的腐蚀程度比外表面严重。由此可见，腐蚀是由管束的内表面开始的，然后导致腐蚀穿孔泄漏。由此推断，管束腐蚀泄漏是由内部的循环水腐蚀导致的，循环水在氧气存在的情况下，发生吸氧腐蚀[1-4]，这与腐蚀挂片监测结果一致。

2 换热器腐蚀影响因素分析

换热器管束内物料为循环水，壳程为脱硫贫液，以上分析表明，循环水的腐蚀较为严重,导致换热器出现泄漏现象。为了探究循环水侧腐蚀严重的原因，实验分析了循环水的水质(见表2)。

采用旋转挂片法[5]，考察了实际循环水对20#碳钢、不锈钢的腐蚀性。结果表明，20#碳钢的腐蚀速率为1.050 mm/a，不锈钢的腐蚀速率为0.001 mm/a。试片外观也显示碳钢试片表面腐蚀产物较多，腐蚀较为严重(见图6)，不锈钢试片表面较为光亮，腐蚀轻微(见图7)。试验表明在此种水质下，碳钢的腐蚀性较强，不锈钢的耐蚀性良好。建议可以考虑将换热器的材质升级为不锈钢[6]。

表2 循环水运行水质分析结果离子种类分析值参考标准与方法ρ(Ca2+)/ (mg·L-1)44.0GB/T 15452-2009《工业循环冷却水中钙、镁离子的测定EDTA滴定法》ρ(Na+)/(mg·L-1)214原子光谱法ρ(K+)/(mg·L-1)8.19 原子光谱法ρ(Sr+)/(mg·L-1)0.48原子光谱法ρ(Zn2+)/(mg·L-1)3.94 原子光谱法ρ(Fe2+)/(mg·L-1)0.82 原子光谱法ρ(Cl-)/(mg·L-1)192HJ/T 343-2007《水质氯化物的测定硝酸汞滴定法》ρ(SO2-4)/(mg·L-1)176HJ/T 342-2007《水质硫酸盐的测定铬酸钡分光光度法》ρ(HCO-3)/(mg·L-1)61.6GB/T 15451-2006《工业循环冷却水总碱及酚酞碱度的测定》pH值8.20GB/T 6904-2008《工业循环冷却水及锅炉用水中pH的测定》浊度/NTU3.50GB/T 12151-2005《锅炉用水和冷却水分析方法浊度的测定》电导率/ (μs·cm-1)389 GB/T 6908-2018《锅炉用水和冷却水分析方法电导率的测定》

2.1 Cl-对水质腐蚀性的影响

Cl-是循环水中常见的一种主要的阴离子，很多文献表明Cl-能够促进金属腐蚀，主要表现在对碳钢的全面腐蚀、不锈钢的点蚀及应力腐蚀开裂等方面[7-10]。试验以现场循环水典型运行水质为基础水样，并向其中添加不同含量的NaCl溶液，采用旋转挂片法，进行挂片试验，实验结果如图8所示。

图8表明，腐蚀曲线大致分为两个阶段：当Cl-质量浓度低于500 mg/L时，水质腐蚀性变化不大，在1.05 mm/a左右：当Cl-质量浓度超过500 mg/L，水质腐蚀性随Cl-质量浓度的增加而增大。这主要是由于当水中的Cl-增加时，虽然水中的电子转移速度变快，但是电子转移的速度对腐蚀的影响本身是有一定的限度，故腐蚀速率并没随Cl-的增加而变化很大。但当Cl-累积到一定量时，由于其离子半径小，穿透力强，易于穿透金属表面，就会造成点蚀。并且蚀孔内累积的大量Cl-会发生水解，致使局部呈酸性，金属腐蚀迅速增大，同时伴有严重的点蚀。当Cl-添加量达到700 mg/L时，腐蚀速率高达1.45 mm/a，比没添加时增加了近0.4倍。因此在循环水的实际运行中，应严格控制Cl-的含量。