硝基氯苯装置液环真空泵防腐对策研究

王 勇

（中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏 南京 211500）

液环真空泵是一种以液体为工作介质来抽送气体的通用机械［1-3］。由于液环真空泵具有结构紧凑、占地面积小、吸气均匀、工作转速高和适应能力强等优点，常应用于真空过滤、真空蒸馏、真空干燥等工艺过程，涉及石油、化工、制药、采矿和电力等多个领域［4-6］。某公司拥有两套硝基氯苯装置，液环真空泵是精馏单元的关键设备，主要作用是为精馏塔、脱焦塔和低油塔提供真空状态操作条件，但自投用以来，由腐蚀引起的高故障率一直影响装置长周期安全稳定运行。针对硝基氯苯装置液环真空泵的腐蚀问题，通过实验室模拟工况腐蚀试验，评价不同材料的耐蚀性能，并提出了相应的解决措施。

1 腐蚀情况

精馏单元液环真空泵的工作介质为氯化苯，工作温度为40～80℃。从2009年开始，液环真空泵材质由碳钢升级为304不锈钢，但材质升级后其故障率仍然较高。2017年检修时发现，精馏塔液环真空泵叶轮腐蚀严重，发生脱落并碎成小块，其形貌见图1。

图1 液环真空泵叶轮腐蚀形貌

2 工艺物料分析

对精馏塔、脱焦塔和低油塔液环真空泵的工作液进行取样，工作液静置一段时间后上下分层，上层为水溶液，下层为氯化苯。对上层水溶液进行成分分析，结果见表1。

表1 工作液上层水溶液分析结果

从分析结果可以看出，三台液环真空泵的工作液中均含有Cl-，其中低油塔液环真空泵的工作液中Cl-质量分数高达92.00μg/g，脱焦塔液环真空泵的工作液中NO-3质量分数较高，为42.10μg/g。除此之外，还检测到精馏塔、脱焦塔和低油塔的外排尾气中含有质量浓度为2 mg/L的NOx。由此可以得出，工作液中的Cl-和NO-3分别来自HCl和HNO3，HNO3是由NOx反应生成的。

3 试 验

3.1 试验溶液及材料

根据液环真空泵工况，在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液中开展304L，316L和2205的耐蚀性能评价。试验温度80℃，转速2 m/s，试验周期96 h。氯化苯溶液为现场取样，酸性水为实验室配制。根据现场物料分析结果，配制的酸性水组成：Cl-和NO-3物质的量浓度比为10∶1，pH值为1，所用试剂均为分析纯试剂。试验所用材料及其化学成分见表2，均满足国家标准。

表2 挂片材料及其化学成分 w，%

3.2 试验仪器及设备

高温高压反应釜、电子分析天平、S-3400N扫描电镜、超声波清洗器等。

3.3 试验方法

采用400号、600号、800号水磨砂纸对试样的工作面进行逐级打磨，然后用去离子水冲洗、丙酮除油、无水乙醇脱水、冷风吹干。用游标卡尺测量试样实际尺寸后称质量备用。将试样分别安装在高温高压反应釜内气相和液相区，加入试验溶液（确保溶液体积与试样表面积之比不小于20 mL/cm2），设置转速，待反应釜内温度达到试验温度后开始计时。试验结束后，用清洗液去除腐蚀产物，对试样进行宏观和微观形貌观察，并根据质量损失计算腐蚀速率。

4 试验结果

4.1 宏观形貌观察

图2为三种材料在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液中试验后的宏观形貌。从图2可以看出：在氯化苯溶液的气相和液相中，304L，316L和2205均保持金属光泽，无明显腐蚀；在氯化苯+酸性水溶液的气相中，304L和316L均出现明显的局部腐蚀，在液相中仍保持金属光泽，无明显腐蚀，而2205在气相和液相中均保持金属光泽，无明显腐蚀；在酸性水溶液的气相中，304L和316L均出现明显的局部腐蚀，304L甚至出现腐蚀脱落现象，304L和316L在液相中未见明显腐蚀，而2205在气相和液相中均保持金属光泽，无明显腐蚀。

图2 试样试验后的宏观形貌

总体来看，在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液的气相和液相中，2205均保持金属光泽，无明显腐蚀；在氯化苯+酸性水、酸性水溶液中的气相中304L和316L均出现十分明显的局部腐蚀，而在液相中无明显腐蚀。

4.2 微观形貌观察

图3和图4分别为三种材料在氯化苯+酸性水、酸性水溶液的气相中试验后的微观形貌。从图3和图4可以看出：在氯化苯+酸性水、酸性水溶液的气相中，304L和316L局部点蚀明显，而2205未见明显腐蚀。从微观形貌来看，其结果与宏观形貌结果保持一致。

图3 氯化苯+酸性水试验后试样微观形貌

图4 酸性水试验后试样微观形貌

4.3 腐蚀情况分析

表3为三种材料在不同溶液中的腐蚀速率。从表3来看，在氯化苯溶液的气相和液相中，304L，316L和2205的腐蚀速率很小，均属于轻微腐蚀（小于0.05 mm/a）。在氯化苯+酸性水溶液的气相中，304L发生了严重腐蚀，其他均发生了轻微腐蚀。在酸性水溶液的气相中，304L和316L均发生了严重腐蚀，其中304L的腐蚀速率高达24.631 mm/a，在液相中304L和316L腐蚀较轻；在气相和液相中2205的腐蚀速率仍然很小，属于轻微腐蚀。

表3 三种材料的腐蚀速率 mm/a

从以上试验结果可以得出，三种溶液中酸性水的腐蚀性最强，其次是氯化苯+酸性水，腐蚀性最弱的是氯化苯溶液。因此，当液环真空泵的工作液中不含水时，304L，316L和2205均具有较好的耐蚀能力。当工作液中存在游离水时，叶轮区域就形成了HCl+HNO3的酸性水腐蚀环境，304L和316L的腐蚀速率明显升高，在气相区的腐蚀尤为严重，而2205仍然表现出优异的耐蚀性。

5 分析与讨论

结合硝基氯苯性质和生产工艺流程可知，精馏塔、脱焦塔和低油塔的再沸器温度均大于200℃，硝基氯苯会发生脱氯和脱硝反应，生成HCl和NOx，使塔顶气相介质中含有HCl和NOx。由于工艺条件限制，液环真空泵中的工作液中不可避免地含有一定量的游离水，水会与来自塔顶气相介质中的HCl和NOx作用，形成HCl+HNO3的酸性水腐蚀环境。液环真空泵叶轮材质为304不锈钢，在具有强腐蚀性的HCl+HNO3酸性水环境中耐蚀能力不佳，从而造成了叶轮失效。除此之外，也不能忽视汽蚀带来的协同破坏作用，当液环真空泵内局部压力低于液体的饱和蒸汽压时，液体就会迅速汽化产生气泡，气泡会在高压下破裂、凝结，从而对叶轮产生局部冲击，造成破坏。

在含有氯离子的酸性腐蚀环境中，不锈钢通常会发生全面腐蚀、点蚀和氯化物应力腐蚀开裂等［7］。不锈钢中的Cr，Mo和N含量越高，耐点蚀和耐全面腐蚀性能越好。与304L和316L奥氏体不锈钢相比，由于2205双相不锈钢具有奥氏体和铁素体双相组织，且含有较高的Cr，Mo和N含量，其耐蚀性能和抗应力腐蚀性能更佳。

硝基氯苯装置液环真空泵的防腐对策可从以下两个方面着手：一是采取措施控制工作液中的水含量；二是将材质升级为2205。现场在大修期间将液环真空泵材质升级为2205，该泵投用两年多来再未发生过腐蚀泄漏，运行情况良好。

6 结论及建议

（1）模拟液环真空泵工况腐蚀试验结果表明，2205具有较好的耐蚀性，而304L和316L在酸性水气相环境中存在明显的点蚀现象，耐蚀性能不佳。

（2）建议将液环真空泵材质升级为2205，并对工作液进行脱水处理。

（3）现场应用结果表明，液环真空泵材质升级后运行良好，两年多来再未发生过腐蚀泄漏。