苯乙烯装置脱氢尾气系统腐蚀原因分析

崔 超，米孜拉夫·麦麦提，孙 康，王 琨

（中国石油 独山子石化公司 乙烯厂，新疆 独山子 833600）

苯乙烯装置流程中，脱氢尾气系统位于反应器后，是尾气处理及回收系统。某工厂苯乙烯装置尾气回收系统腐蚀严重，腐蚀部位集中在各级冷凝器进、出口管线以及封头等部位，严重影响装置安全运行。文中基于设备工艺流程、运行情况、腐蚀现象以及检测数据进行分析，总结原因并提出预防措施。

1 脱氢尾气系统流程及腐蚀概况

1.1 系统流程

来自脱氢反应单元的尾气进入脱氢尾气系统后，依次经过尾气压缩机、尾气/粗苯乙烯热交换器 E-2439［1］、脱氢尾气后冷器 E-2420、粗苯乙烯尾气冷凝器E-2406，完成尾气的增压、一级热量和烃类回收、二级热量和烃类回收、三级热量和烃类回收后，进入尾气吸收和解析系统进一步回收烃类。其中，三个级别的热量和烃类回收重点不同，总体上是逐级加强的，一级主要回收尾气压缩的热量，二级主要回收尾气中的烃类和水，三级进一步回收烃类、水，同时降低和维持尾气吸收塔吸附的温度，尽可能地回收烃类，同时起到维持氢气压机入口温度小于25℃的作用。

1.2 腐蚀概况

腐蚀发生在脱氢尾气系统E-2439入口及E-2439出口至E-2420入口段（图1）管线上。该段管线管道直径 DN500 mm，原始壁厚 9.53 mm［2］。腐蚀定点测厚期间发现该段管线上的弯头存在减薄［3］现象。简单复测［4］管壁厚度，结果与原始壁厚相近。为确保结果准确性，对此段管线各弯头进行电涡流扫查［5］，结果表明 E-2439至 E-2420管线上的3个弯头（2019年更换）均存在不同程度金属损失［6］，管线上的第1个弯头（5号）金属损失18%，第2个弯头（4号）有 2个点位减薄严重，测得的壁厚［7］分别为 4.2 mm和 5.08 mm，周围点位测得的壁厚都是近似为9 mm，第3个弯头（1号）金属损失 46%（2019-01 出现泄漏）［8］。E-2439 入口的弯头（8号）也存在减薄，但该弯头自2009年至今一直未进行更换，在原始壁厚基础上减薄14%［9］，目前壁厚 8.19 mm。E-2420 出口至E-2406、E-2406出口管线均未发现减薄。

图1 脱氢尾气系统管线单线图

2 脱氢尾气系统综合排查分析

2.1 设计与运行参数对比

对设计参数与实际运行参数进行对比。按照工艺包设计，尾气压缩机出口温度为150℃。实际操作时，尾气压缩机出口操作温度设置为125℃。这种实际温度相对设计温度的偏差，造成了后续一系列热交换器实际运行温度值与设计温度偏差。实际运行的各级热交换器进、出口温度均低于设计温度12～17℃。

E-2420设计上允许E-2439切至旁路之后系统正常运行，故其冷却负荷是按照尾气压缩机出口直接进入E-2420考虑的，热交换器的负荷余量较大，从而使E-2420出口温度更低，接近循环水温度。

2.2 设计参数核算分析

根据设计资料，E-2439入口总气相质量流量为12 860 kg/h。经过E-2439时，总气相流中有3 38 7kg/h的物料由气相冷凝为液相并随气相继续沿流程流向E-2420。经过E-2420，总气相中至少有共计9 310 kg/h的气相冷凝为液相，但这些液相在热交换器出口被排放出流程，不再随气相流动。

按照设计数据，尾气粗苯乙烯热交换器E-2439出口至E-2420的物流为气液两相流，气相总质量流量为9 474 kg/h（气相中氢气质量流量1 952 kg/h），液相总质量流量为3 387 kg/h，气相密度为0.731 kg/m3，管线尺寸为DN500 mm。基于以上设计数据，该段管线计算的气相流速为17.8 m/s。

脱氢尾气后冷器E-2420出口至E-2406的物流，其液相经由热交换器出口分液直接排放至粗苯乙烯沉降罐中，因此不存在两相流。气相总质量流量为3 550 kg/h（气相中氢气的质量流量为1 952 kg/h），气相密度为 0.387 kg/m3，管线的尺寸为DN450 mm，按照此数据计算，该段管线的气相流速为15.5 m/s。

按照GB 50177—2005《氢气站设计规范》［10］第12.0.1条确定碳钢管中氢气的最大流速，设计压力在0.1～3.0 MPa时，对应的最大流速为15 m/s。

E-2439出口至E-2420的物流流速达到17.8 m/s，流速较高且为气液两相流。按照GB 50177—2005中的解释，氢气为高纯度的氢气。本文讨论的苯乙烯装置循环氢体积分数为94%，根据设计通用做法，可视为满足规范要求。

2.3 取样排查情况

对E-2439出口至E-2420物流选取分别靠近E-2439和E-2420的2个点进行2组取样，用pH计检测的物流 pH值［11］为 7.17，离线分析的两组物流pH值均为6.96，即E-2429至E-2420管线物流的液相物料pH值是接近中性的。

对E-2420出口的液相物流进行pH计检测和离线分析，pH计显示结果为6.32，离线分析结果为6.51，可见计E-2420出口的液相流呈酸性，但酸性不高。

2.4 其他情况说明

2.4.1 测厚情况的补充说明

测厚发现的弯头减薄不是均匀性的，减薄均发生在弯头背弯的局部面，弯头两侧和腹部均没有减薄［12］。且E-2439至 E-2420的 3个弯头中，只有第3个弯头即腐蚀最严重的弯头，而第3个弯头的背弯侧是管线的低点，在2021-04检修拆除第3个弯头后，发现第3个弯头背弯处已经穿孔泄漏，进行了非预防性包焊处理，及时防止了弯头背弯处介质外漏。E-2439至E-2420的第3个弯头及其内部腐蚀情况见图2。

图2 E-2439至E-2420的第3个弯头内壁腐蚀情况

2.4.2 E-2439出口封头腐蚀分析

E-2439出口封头为锥形封头，锥口即热交换器的出口，由于E-2439冷却能力过剩，导致热交换器出口封头的液相物料过多，无法及时排出（封头底部设置有 DN25 mm［13］的排液口，但是无法及时将液体排放干净），在锥形封头的出口部位形成涡流，加之气液两相物料流速过快，对封头出口部位腐蚀尤为严重，拆除封头后发现出口正下方已经减薄70%（图3）。

图3 E-2439出口封头内壁腐蚀情况

2.4.3 关于二氧化碳在水中的溶解度

二氧化碳在水中的溶解度随温度的升高而降低，经查28℃（E-2420出口温度）下的溶解度为0.132 7×10-2g/mL，50 ℃（E-2439出口温度53℃）溶解度为0.076 1×10-2g/mL，即E-2439出口的二氧化碳溶解度比E-2420出口的二氧化碳溶解度小43%［14］。

3 腐蚀原因分析及预防措施

3.1 原因分析

E-2439出口至E-2420的管线物流中水质量分数达到33%，其中液相中水的质量达到总物流质量的13%，但由于管线内介质温度较高，二氧化碳溶解度较小，其液相pH显中性，二氧化碳溶解在水中的腐蚀作用较弱。但管线内介质气相流速较大（17.8 m/s），超过 GB 50177—2005 要求，且经过热交换器冷却之后的液相物料（占总进料质量的26.3%）无法排出而随气相流动，对管线、尤其弯头部位的冲刷力较强，随气相流动的液滴受重力作用对背弯向下的弯头（第3个弯头）冲刷尤其严重，导致E-2429至E-2420管线上的3个弯头均有明显减薄，且第3个弯头减薄最多。

E-2420出口和E-2406出口冷凝的液相均经过分液处理及时排出了系统，故其气相流动的冲刷腐蚀不明显，不存在减薄。但是由于其温度较低，二氧化碳的溶解度增大（pH检测结果呈酸性），造成热交换器封头和液相流道上在大检修检查发现明显的坑蚀。

目前严重减薄集中在E-2439出口至E-2420的管线弯头及E-2439出口封头，其他管线弯头的减薄并不明显，该段管线减薄的主要因素应是气液两相高速冲刷导致。

3.2 预防措施

针对苯乙烯装置脱氢尾气系统运行过程中发现的腐蚀情况，基于综合排查分析形成的认识，提出4点预防措施，①联系专利商对尾气压缩机操作温度与工艺包的偏差对运行的影响进行说明，对E-2439至E-2420段管线流速较大的情况进行核算并提供评估和解决方案。②定期对尾气系统所有管线、弯头进行测厚，及时对减薄严重的管线进行补焊，考虑在弯头内侧增加垫层。③将尾气/粗苯乙烯热交换器E-2439出口封头改造为椭圆形封头，并且将出口封头的出料位置改造至封头正下方，将大量的液体物料带出封头，减少对封头的冲刷腐蚀，在出料位置正下方加装旋风分离器［15］，气体排放至E-2420进行换热，液体直接排放至V-2202罐，减少管线中的液相物料，从而降低对E-2420入口的第3个弯头冲刷腐蚀。④将E-2439出口封头至E-2420入口管线、阀门及E-2420进出口封头全部升级为不锈钢材质，从根本上避免二氧化碳对管线的冲刷腐蚀。

4 结语

苯乙烯装置脱氢尾气系统的腐蚀主要是发生在弯头部位的不均匀腐蚀。这种腐蚀根源于尾气压缩机出口实际运行温度对设计温度的偏离，以及未时调整引发的下游冷却器、热交换器设备的运行状态参数偏离，从而导致的物料弱酸性［16］、物流流速偏大，造成弯管处的腐蚀及冲刷加重。通常设计参数都有一定的浮动范围，偏离引发的异常因此比较隐蔽，不易发现，操作人员应给予重视并加强日常工作中的监测。