浅析冷换设备泄漏原因及预防措施

2023-08-29吕永庆

中国设备工程 2023年15期

吕永庆

（大庆石化公司化肥厂合成车间，黑龙江大庆 163711）

在工业中，换热器是使用广泛的节能设备，在石油化工装置中，冷换设备的投资占总体投资的35%以上，是必可不少的重要设备。冷换设备应用于每个系统和生产流程环节中，其运行状态是否稳定、安全、可靠直接影响着生产耗能。对于生产管理人员来说，冷换设备的腐蚀问题一直是企业关注的重点。

1 冷换设备的目的和意义

在炼油作业中，冷欢设备是不可或缺的一环，是重要的炼油设备组成部分，占据炼油设备比例的40%左右，这意味着冷换设备的运行状态会直接影响炼油设备的结果，也直接影响炼油作业是否能够顺利进行。冷欢设备中有30%的设备是水冷器。在冷换设备实际运行的过程中，势必会出现腐蚀和结垢的情况，这两种情况的出现很容易导致冷换设备运行出现问题，腐蚀会导致冷换设备的管束出现穿孔的现象，进而导致生产出现问题，两种介质出现互相污染的状况；结垢的出现会导致换冷设备的工作效率下降的同时消耗的能耗增加，并且还会出现垢下腐蚀的情况。由于腐蚀问题是最严重的，因此，本文主要分析腐蚀性问题。

1.1 腐蚀问题的出现

冷换设备出现腐蚀问题一般集中在硫化氢水溶液部位，一般来说，硫化氢作业低温系统的核心，如果采用科学合理的有效方式并且防腐效果良好的情况下，那么使用碳钢也能够得到很好的使用效果，而且使用的年限能够达到15 年左右，但是如果防腐技术不合理或者是介质腐蚀性极强的情况下，使用碳钢的效果就非常不明显，甚至会出现安全方面的问题。比如，之前中石油齐鲁分公司就曾经出现过一个典型的案例，碳钢换冷设备在实际施工不到一年，就因为恶劣的使用环境导致出现严重腐蚀，甚至因为其腐蚀产物硫化亚铁的出现导致自燃事故的出现。事实上，其他炼油厂也曾出现过类似的自然情况。

硫化氢水溶液腐蚀从本质上说是属于低温系统中HS-HO 腐蚀的环境，因此在实际镀层的选择上，可以选择Ni-P 镀层，这种镀层不仅耐酸性比较好，而且HS 腐蚀性也比较好，如果镀层质量良好的情况下，这种镀层的有效使用年限能够达到11 左右，其防腐的效果是非常优异的。除此之外，漆酚涂料和TH-847 涂料也是低温系统中非常合适的，使用的时间也比较长。

1.2 酸性水处理和制硫装置

在酸性水处理和制硫装置中，因为其碳钢在低温含硫系统中所受的影响是微乎其微的，如果在低温也就是温度在120℃以下的环境中，含硫系统中冷换设备所使用的碳钢在耐腐蚀方面效果是非常不错的。所以，酸性水处理和制硫装置使用碳钢的效果是比较理想的，其实际的使用效果也和理论分析一致。如果在低温硫化氢高且防腐效果不好的状况下，碳钢的效果并不理想。在涂层的选择上，也要尽量选择较好的涂层，比如，Ni-P 镀层、TH-847 涂层或TH-901 涂层等材料。

2 冷换设备腐蚀的典型结构分析

炼油企业的街工能力，涉及很多方面，包括加减压和延迟焦化、催化裂化和硫磺回收以及加氢作业等多套炼油设备，比如，某工厂的腐蚀问题报告上，针对腐蚀问题进行大修作业，对换冷设备进行全面深入的停工检查，结果发现，452 台设备中有73 台设备都出现不同程度的腐蚀问题，占了所有设备的18%左右。基于这些数据及已经被腐蚀的设备进行全面的分析后，经过统计整理，发现设备服役的环境、设备制造的缺陷、设备的材质都会造成腐蚀勤快的出现。根据设备出现的失效的角度出发，可以将这些腐蚀状况分为五种：局部腐蚀、开裂、焊接缺陷、均匀减薄、机械变形。其中减薄和开裂以及局部出现腐蚀的情况是最多的，占比高达90%以上，制造所造成的腐蚀问题仅占105 左右。

图1 失效类型统计表

根据冷换设备各个位置出现腐蚀的情况上看，出现的腐蚀部位主要集中在管道、管口、入口接管、管箱和壳体等位置。其中在管束和管板以及管箱位置更加突出。

图2 腐蚀部位统计图

基于这些冷换设备腐蚀位置的分析，可以初步得到腐蚀原因，基本上可以分为4 类：一类是循环水腐蚀，一类是焊接及施工质量问题，一类是工艺介质问题，一类是选材问题，其中工艺介质和循环水腐蚀是导致腐蚀问题最多的因素，工艺介质腐蚀达到了45%，循环水腐蚀也达到了40%的占比。

3 冷换设备腐蚀原因分析

3.1 工业介质腐蚀

图3 腐蚀成因统计图

工业介质的成分比较多，主要的工艺品就是油品或者是油气，但是在实际炼油的过程中油品也会发生各类分解反应，也会发生各类加氢反应和裂解反应，所以，除了大量的石油产品外，还有大量硫类物质和氢类物质，还有氨氮等各种腐蚀性的物质，这些物质的出现会氯化铵结垢和垢下腐蚀、高温硫腐蚀和高温环烷酸腐蚀等对冷换设备腐蚀，使换冷设备出现开裂和点蚀、应力和冲刷腐蚀以及均匀腐蚀等情况的出现。比如，在某个化工企业中，其原油G 常顶油气换热器在机器的采用上，选择的是4 台并列的换热器，常顶尤其是这种机械的介质主要是常顶油气，进出口的温度一般控制在118℃到93℃的范围区间，管束的材质是TA1，管板选用的材质是16Mn Ⅳ＋TA1，原油作为壳程的介质为原油。在检修的过程中，发现污垢和锈蚀主要集中在管箱和管板以及隔板上，从厚度的测量上看，E201 管箱隔板冲蚀部位区域测厚值为10.14 ～10.37mm，其余部位为15.75～15.51mm;E301 管箱隔板冲蚀部位区域测厚值为9.51～10.02mm，其余部位为15.32 ～15.57mm；E401 管箱隔板冲蚀部位区域测厚值6.92 ～7.12mm，其余部位为13.95 ～15.51mm.管箱出入口接管，具体如图4 所示。

图4 腐蚀宏观形貌图

图5 管板腐蚀开裂形貌

图6 管板坑蚀及焊缝开裂形貌

在腐蚀原因分析的过程中，发现主要是因为油品的性质变轻，因此随后做了改造，使原有适应性进行了扩容，这就导致油气的流速变快，导致高速的常顶油气再加上腐蚀介质在长年累月的冲刷下导致管箱的缓蚀剂遭到破坏，使金属裸露在外，导致管箱腐蚀的速度加快。除此之外，因为设计问题，常顶注水点在管箱上部，常顶是中和剂和缓蚀剂的注入点，这就导致在实际中和的过程中，明显所需要的量不足，这样也就导致了腐蚀情况的出现。

3.2 循环水介质腐蚀

我国对环保节能要求标准越来越高，这导致循环水的浓度倍数不断增加，回用污水的水质在不断地变差，导致循环水在循环过程中的腐蚀和结构的情况越发严重。循环水的腐蚀主要集中在水冷箱上，在大量杂质和黏泥的作用下，会使水冷箱出现垢下腐蚀，同时造成管子的穿孔和开裂等问题。

除此之外，在脱硫联合装置的循环碱液冷却器，它的管程就是循环水，管束中出现了多种腐蚀穿孔的情况，穿孔位置一般集中在导流筒和壳程进料口一侧以及管板中，具体如图7 所示。

图7

3.3 制造或者是设计缺陷

制造和设计缺陷主要是因为在制造和安装以及运输的过程中，比如，不文明运输、焊接质量不合格、制造质量差、运输导致涂层损伤或者是设备出现磕碰等情况。制造和设计缺陷一方面是因为占比比较少，另一方面，主要是管理方面的问题。

3.4 物理和化学腐蚀

化学腐蚀主要是因为石油化工要处理很多介质，因此会发生很多的化学反应，比如，酸碱介质这种介质能够和设备金属部分发生反应，是最容易引发腐蚀介质之一。再比如，各类添加剂，这些添加剂会和一些材料发生反应，可能会释放能量，也有可能是释放高温，就会导致出现氧化，进而腐蚀设备。除此之外，还有生产环境腐蚀，石油化工企业的生产环境中存在各种各样的化工溶液，大量其他和溶液在长时间的作用下，会使设备受到一定的腐蚀。

物理腐蚀主要是基于气体和液体在流动的过程中造成的腐蚀，出现这种情况主要是人为因素导致的，没有最好相应的防护作业，也没有合理的控制气体和液体的流动。除此之外，还有部分员工没有安全生产的责任意识，没有重视检修和维护等方面的工作，导致出现腐蚀情况。

4 冷换设备针对腐蚀情况的防护措施

4.1 材料质量控制

材料质量的控制不仅是设计的基础，而且也能够直接影响设备施工时间和寿命，因此，首先要把控换冷设备的质量，并保证在施工和焊接的过程中确保文明施工，避免出现擦伤或者是挤压情况的出现。在涂层的选择和施工上，要针对性地选择耐腐蚀性较好的涂层，同时确保涂层是施工质量。在高温部位，根据实际的情况选择合适的碳钢或者是合成钢。在低温部位为了防止氧化，可以硫含量和酸值作为最基本的依据，然后结合最大数值的确定选择最合适的材料。

4.2 运行控制

工艺防腐在低温作业的环境下非常关键，在常减压装置上体现得更加明显，如果工艺防腐效果好，那么即便是材料等级不高，仍然起到防腐的效果。相反，如果工艺防腐没有做好，那么即便是有更高级的材料，也会出现腐蚀的情况，因此要根据相关的管理规定，加强工艺防腐处理，严格执行相关规定。比如，在常减压蒸馏装置的控制上，不管是处理量还是原有质量，都需要严格地按照设计要求进行，同时在常减压的“一脱三注”系统操作管理要不断提升，控制脱后各类含量指标，比如，含盐≤3mg/L，脱后含水≤0.3%和污水含油≤200mg/L 等，还有控制塔顶冷凝水pH 值为5.5～7.5(注有机胺时)、7.0 ～9.0(注氨水时)、6.5 ～8.0(有机胺＋氨水)；铁离子含量≤3mg/L。控制塔顶内部操作温度高于水露点温度14℃以上、塔顶回流返塔温度高于90℃等。针对于高温部位，其提升的基础就是设备的材料，要制定针对性的低设防值并严格执行，同时根据实际出现腐蚀的情况灵活地选择合适的预防和升级方案。

4.3 循环水管理控制

循环水的控制可以从以下几个方面进行：一是流速方面的控制，循环冷却水在管道流速的控制上，要在1m/s 的速度以上，如果在壳程中循环水的流速低于0.3m/s，那么就需要采取反向冲洗和防腐涂层等多种防腐措施。在温度控制上，循环冷却水的出口温度要控制在50℃以下，如果发现流速异常，可以采取超声波除垢或者是反冲洗措施；二是循环冷却水的水质要符合要求；三是添加剂的选择要尽量选择高效稳定对环境友好的添加剂，如果添加剂含有锌盐药剂时，要确保循环水的含锌盐含量在2mg/L 以下；四是在微生物控制上要尽量以氧化型杀菌剂为主，非氧化型杀菌剂作为辅助功能使用，如果连续投入使用要控制其含氯量；五是要进行严格浓缩倍数控制，如果超标，可以调整排污量。

4.4 金属涂层技术

涂层技术涂抹在冷换设备的表面能够有效地控制冷换设备的腐蚀情况，尤其是化学涂层技术，其应用的效果更加明显。但是需要注意的是，这些涂抹在设备上的金属涂层是阴性涂层，所以对致密性有着非常高的要求，如果涂抹不当，导致涂抹不均匀或者是部分漏涂的情况，渗漏的情况就会出现，不仅会导致整个涂层失去效果，而且也会使冷换设备腐蚀速度加快。

4.5 复合型材料技术

复合材料的使用主要集中在设备的阀门处，包括金属材料和新型材料以及非金属复合材料，对于设备重点部位的防护是有很大的作用。复合材料防护技术应用非常广泛，我国沿海地区很多炼油厂都采取了这种技术，尤其是高腐蚀但温度不高的零件使用上，泵和阀门等关键部位，使用复合技术能够有效地保护冷换设备。

4.6 水冷器管束防腐

严格控制水冷器管束材料的加工、热处理工艺,使用更合适的材料,可以有效缓解循环水结垢、垢下腐蚀等，目前，大多数炼厂水冷器管束材质以碳钢为主,对腐蚀严重部位可升级材质以提高水冷器的使用寿命.炼化装置中应用较多的高等级水冷器管束材质有08Cr2Al Mo、09Cr2Al MoRe、022Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo, 双相钢、钛材等奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性,并且结垢不易附着管壁表面,使用效果较好,但在使用过程中要严格控制循环水以及工艺介质氯离子的含量.进行材质升级时,应从介质控制、防腐涂料、阴极保护、经济效益等方面综合考虑。