涂层防腐在石化装置水冷器的应用

宗瑞磊

(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)

换热器是石油化工行业中应用最广泛的设备,通常占炼油装置工艺设备总质量的30%～40%,在石油化工装置中的占比甚至要更高一些。在所有换热器中,1/4～1/3是碳钢制循环水水冷器。水冷器的长周期连续使用事关装置的安全生产,同时还影响装置的稳定运行,进而影响石化企业的综合经济指标【1】。管束涂层防腐是当前水冷器防腐最简单易行、也是比较经济的方式。长期的生产实践已经表明,水冷器使用涂层防腐后,能大幅度缓解腐蚀,产生显著的安全效益和经济效益【2】。

然而,根据相关腐蚀调查,部分石化装置水冷器仍然存在腐蚀严重、管束更换频繁的现象。一方面,水冷器的涂层防腐常作为设备制造的一部分,直接由换热器厂家负责,导致对防腐涂层重要性认识不够,防腐涂层质量参差不齐;另一方面,由于工艺包进口、水冷器占比高、水冷器尺寸较大等原因,工艺包对石油化工装置中带涂层防腐水冷器的选择占比较低。图1为某公司乙烯装置水冷器运行仅3个月后的管板形貌。由于未进行涂层防腐,管板和换热管结垢严重,换热效率已经难以满足工艺要求,管接头垢下腐蚀明显。

图1 未进行涂层防腐的水冷器管板形貌

1 水冷器的腐蚀机理

水冷器的腐蚀通常是由于循环水腐蚀导致的。循环水系统腐蚀主要是由于循环水中盐类物质、溶解的气体以及各种复杂的微生物造成的。不合格的循环水可引起水冷器不同类型的损伤,包括均匀腐蚀、局部点蚀、微生物腐蚀、应力腐蚀以及垢下腐蚀等。

1.1 溶解氧腐蚀

石化装置冷却水处理系统往往采用敞开式系统,金属的电极电位低于氧的电极电位,水中的溶解氧会导致电化学腐蚀的发生【3】,其中金属为阳极,失去电子,发生腐蚀;氧是阴极,进行还原,反应式如下:

铁受腐蚀后生成铁离子(Fe2＋),它与水中的氢氧根(OH－)会继续反应生成结构非常疏松的Fe(OH)3二次产物层,反应式如下:

形成的Fe(OH)3腐蚀产物阻挡了溶解氧的扩散,导致腐蚀点周围的氧浓度大于腐蚀点,腐蚀点本身做阳极,腐蚀继续进行,形成局部凹坑,严重时甚至会导致穿孔泄漏。

1.2 氯离子腐蚀

氯离子(Cl－)对循环水腐蚀的影响一直被业界关注。氯离子造成的腐蚀主要发生在空隙或缝隙中。金属在孔隙或缝隙中发生腐蚀溶解,生成Fe2＋,导致周围溶液中的正电荷过量,氯离子移动到腐蚀点附近以维持中性,于是腐蚀点周围附近出现较高浓度的FeCl2,进一步水解生成不溶的Fe(OH)2和HCl,反应式如下:

盐酸具有强腐蚀性,会在局部加剧金属与合金的腐蚀。如果使用奥氏体不锈钢管束,还可能导致危害更大的应力腐蚀开裂。

1.3 微生物腐蚀

冷却水中的细菌主要有铁细菌、粘液菌、硫酸盐还原菌等。粘液细菌吸附水中的污物形成生物粘泥团,易造成水冷器堵塞。而硫酸盐还原菌和铁细菌则可能导致设备出现腐蚀问题。另外,需要关注泄漏导致循环水系统微生物腐蚀加剧的问题。某化工装置丙烯冷剂冷却器泄漏,低碳链有机物丙烯泄漏到水侧,为微生物提供了良好的生长条件。随着泄漏时间的延长,细菌快速繁殖,水质快速恶化,导致换热管结垢堵塞严重,换热系统效率下降。

2 涂层防腐体系的发展

中国石化对水冷器涂层防腐非常重视,对新建装置和检维修更换的碳钢水冷器,均要求在循环水侧设计涂层防腐;此外,还组织编制了《碳钢水冷器防腐涂层技术暂行规定》、《碳钢水冷器防腐涂层质量检验暂行规定》等文件。2007 年,中国石化工程部牵头编写了石油化工行业标准SH/T 3540—2007《钢制换热设备管束复合涂层施工及验收规范》,后续又根据实际需求,修订并出版了SH/T 3540—2018《钢制冷换设备管束防腐涂料及涂装技术规范》【4】。

该标准的实施对产业的发展具有重要的作用和意义。标准总结了石化装置钢制冷换设备防腐蚀涂装、检验与验收、储存防护、安全防护等方面的经验,推荐了近年来国内使用比较成熟的专用涂料的牌号,并对其使用温度、适用的介质类型以及最终干膜厚度等参数进行了明确要求,使其更具有可操作性,成为石化行业内最具权威的指导性规范,对其他行业也具有重要参考意义。目前,一般涂装单位对防腐蚀工程的技术、人员和质量管理不够重视,甚至没有专业技术人员负责防腐蚀工程。该标准对技术方案、涂装人员、涂装机具等提出明确的基本要求,有利于保障防腐蚀工程的质量和安全。冷换管束制造表面质量对后续的防腐涂层效果有很大的影响。有些管束制成后,管束芯部的表面质量已经难以改善,且经常出现由于冷换管束本身表面质量问题造成防腐涂层整体质量无法达标或失效的情况,故该标准对冷换管束的制造质量的重要性提出了要求,希望业界能够把设备制造和防腐施工看做一个整体的工程内容,在设备制造过程中对加工精度、热处理制度以及折流板钻孔的倒角要求等予以重视。

SH/T 3540—2018中给出了国内近年来应用较广泛的3种冷换设备专用的防腐涂料,详见表1。

表1 常用的3种涂料选用

在以上3种专用防腐涂料中,TH-847 涂料由于自身耐温的局限性,难以满足装置开停工过程中的蒸汽吹扫要求,在石化行业应用非常有限。SHY99和TH-901是应用更为普遍的两种涂料,但TH-901由于施工周期较长(两道底漆加4道面漆共计6道施工)、施工过程中涂料干燥较快,施工难度较大,也对其应用推广造成一定的影响。

3 涂层防腐的几个关注点

3.1 涂层防腐对换热效率的影响

有关涂层防腐对水冷器换热效率影响的问题,在相关文献【5-6】中已经有比较详细的介绍。国内水冷器防腐涂料导热系数的相关数据见表2。虽然不同类型的涂层导热系数有所差异,但其整体对水冷器换热效果的影响有限,同时其明显的阻垢效果可有效提升水冷器换热效果,确保水冷器换热效果符合装置运行要求,尤其是可对装置长周期运行起到保障作用,这一点在多年石化装置应用中已经得到证实。

表2 国内水冷器防腐涂料导热系数比较

3.2 涂层防腐在石油化工装置的使用情况

如前所述,石油化工装置水冷器使用涂层防腐的比例整体偏低,水冷器泄漏时有发生,甚至导致非正常停工【7】。表3为某乙烯装置关键水冷器泄漏检修统计情况。这些水冷器在设计时由于无跨线,难以切出抢修。原设计的碳钢水冷器管束无涂料防腐,泄漏频繁,2011～2015年,每年均因水冷器的泄漏不得不停工检修。2015～2016年,这些水冷器循环水侧均增加了涂料防腐。采用涂料防腐后,水冷器无泄漏运行至少5年,大大降低了装置的检维修工作量,直接经济效益巨大。

表3 某乙烯装置关键水冷器泄漏检修统计情况

3.3 涂层防腐在水冷器油气侧的使用情况

涂层防腐在水冷器循环水侧应用比较广泛,而对其在油气侧的抗腐蚀情况关注较少。笔者在修编SH/T 3540时调研发现,部分石化装置已进行了多次成功的尝试,为此在涂料选用表中增加了涂层可在油气侧使用的说明,并对使用介质环境和使用温度作出了限制。图2(a)～图2(b)为某常减压装置常顶油气水冷器使用1个周期后,涂装前后管板形貌对比,该水冷器管程侧为油气,管束材质为碳钢。该装置常压塔顶部含有硫化氢、氨、氯盐、水等介质,湿硫化氢腐蚀和碱式酸性水腐蚀风险高。在运行过程中已初步判断设备出现内漏,2016年检修发现管接头和管子已出现严重腐蚀,部分管接头已经穿孔泄漏。为此,紧急协调对新更换的管束管程侧增加涂层厚度为200μm 的SHY99涂层。更换新管束后,2016～2020年使用期间一直未观察到内漏,2020年检修时,内窥镜检查显示管内部无涂层脱落,水压试验未发现泄漏,仅管板边缘部分涂层剥落,对管板涂层进行局部修复后继续投入使用。

图2 常顶油气水冷器涂装前后管板形貌对比

4 展望

石化装置水冷器事关装置的“安稳长满优”运行,其腐蚀泄漏问题的处理量占日常检维修工作量的比例日趋增长。为解决水冷器的腐蚀问题,企业已采取多种措施,如加强循环水水质管理、涂料防腐、更换为不锈钢管束等。然而笔者认为,在很长一段时间内,涂料防腐仍然是主要解决方案。原因有二:第一,由于节水、管理水平参差不齐等原因,循环水水质的大幅改善难以短时间内实现;第二,不锈钢价格昂贵,且需要考虑循环水和/或油气侧的氯对不锈钢的腐蚀风险。当然,石化装置水冷器涂层防腐也面临一些新的挑战详述如下。

1)涂料生产和施工过程中的环境污染问题。目前水冷器的防腐涂料基本是油性涂料,含有大量的有机溶剂,生产和施工过程中,极易造成对大气和水体的环境污染,也会在生产和使用过程中对工程人员的身体健康造成危害;同时,有机溶剂大多为易燃易爆物质,一旦操作不当,极易造成重大的安全隐患,要求的施工条件极为苛刻,尤其在石化装置现场,很难提供符合要求的施工条件,造成很多涂层施工无法实施。目前,相关企业正在开发水冷器专用水性涂料,其主要以水为稀释剂,在大多数环境中不会造成安全隐患,具有非常显著的环保和安全优势。

2)水冷器防腐涂层实际寿命有待进一步提高。目前防腐涂层的设计寿命通常仅为一个操作周期,然而随石化企业设备管理要求的提高,对水冷器在采用涂层防腐之后的使用年限要求越来越高。这需要各方面的努力,主要包含以下几个方面:首先是提高管束本身的制造质量;二是严格把好防腐涂料的类型以及涂层施工质量关;三是提高管束在防腐后运输、安装、保存等环节的管理水平;四是提高企业自身工艺防腐水平,如改善循环水水质、合理设置流速等。如果各环节严格把关,且在正常检维修期间进行必要的检查和局部修复处理,完全有可能达到两个操作周期甚至更长的使用寿命目标。