加氢装置换热器垢下腐蚀原因分析及预防措施

武卓

中海油惠州石化有限公司 广东 惠州 516086

随着石油化工工业的不断发展和加氢装置的广泛应用，加氢装置换热器作为重要的工艺设备，在炼油和化工生产中扮演着关键的角色。但是，随着运行时间的推移，加氢装置换热器往往会面临着垢下腐蚀问题，这不仅会降低设备的热传导效率，还可能引发严重的安全隐患，导致设备损坏和生产中断。垢下腐蚀是一种复杂而严重的问题，它的出现通常与多种因素密切相关[1]。本次研究主要是对加氢装置换热器垢下腐蚀的原因及预防措施进行系统研究，为提高工业生产效率、降低运营成本和确保工艺安全奠定基础。

1 加氢装置换热器垢下腐蚀原因分析

1.1 流体成分因素

加氢装置中通常存在硫化物，这些硫化物可以与金属表面发生反应，产生硫化物沉积物，这些沉积物可能导致垢层形成，硫化物的存在也可以引发硫化腐蚀，其中硫化物与金属表面形成硫化物皮膜，损害金属的完整性。含有硫酸盐的流体也可能引发腐蚀问题，硫酸盐可以与金属表面发生化学反应，产生硫酸沉积物，这些沉积物在高温下可能会变得具有腐蚀性，导致金属表面受损。碳酸盐也是常见的垢下腐蚀因素之一，碳酸盐可以在高温高压下溶解并重新沉积在金属表面，形成碳酸盐垢层，这些垢层可能包含有害的离子。氯化物是另一个常见的引发腐蚀的因素，氯离子可以在金属表面引发腐蚀性的氯化腐蚀，特别是在高温高压环境下，氯化腐蚀可能会非常严重[2]。加氢过程中可能会产生酸性物质，如硫酸和盐酸，这些酸性物质可能会侵蚀金属表面，导致酸腐蚀，酸腐蚀通常在高温条件下更加严重。氧气的存在可以引发氧化腐蚀，在加氢过程中，如果氧气进入系统，它可能与金属表面发生氧化反应，导致金属的腐蚀和锈蚀。

1.2 流体温度及压力

高温环境下，垢层通常更容易形成，这是因为高温度可以导致流体中的溶解固体物质更容易沉淀在金属表面上，形成垢层，高温也可能增加金属的腐蚀速率，在高温下，腐蚀反应通常更加活跃和快速，因此金属的腐蚀会更严重，同时高温条件下，金属的抗腐蚀性可能降低。高压环境下流体中的物质更容易溶解，因此垢层的形成可能较少，但是高压也可能导致流体更密集地与金属表面接触，从而增加了垢层的累积速率，高压环境下，腐蚀反应通常更加缓慢，这是因为高压可以抑制腐蚀反应的进行，但是高压下仍然可能发生腐蚀，尤其是在存在腐蚀性物质的情况下[3]。低流速可能导致垢层更容易形成，在低速流动的情况下，流体中的悬浮固体和溶解物质可能更容易附着到金属表面形成垢层，此外，低速流动也可能使垢层较难清除，高速流动通常可以减小垢层的形成，并降低腐蚀的风险，这是因为高速流动可以减小流体与金属表面的接触时间，从而降低了腐蚀反应的机会。

1.3 金属材料

不同金属材料对于不同的化学环境具有不同的稳定性，加氢装置中的流体可能包含酸性物质、硫化物、氯化物等腐蚀性物质，如果选择的金属材料在这些物质的存在下不稳定，它们可能会与流体中的成分发生化学反应。金属材料的电化学特性对垢下腐蚀也有影响，在特定的电位下，金属材料可能会发生阳极腐蚀或阴极腐蚀，如果金属的电化学特性不适合加氢装置的工作条件，就可能引发腐蚀问题。金属的腐蚀电位是指金属与溶液中腐蚀性成分发生电化学反应的电位，如果金属的腐蚀电位与流体的电位差距较大，金属可能更容易发生腐蚀，因此，金属材料的腐蚀电位也是一个重要考虑因素。一些金属材料具有较高的耐蚀性，能够抵抗各种化学物质的侵蚀，如不锈钢、镍合金和钛合金通常在加氢装置中表现出较好的耐蚀性，因此被广泛用于抵御腐蚀和垢下腐蚀[4]。加氢装置通常在高温高压条件下运行，这些条件可能影响金属的物理和化学性质，某些金属在高温高压条件下可能更容易发生腐蚀，因此在这些条件下选择合适的金属材料非常重要。

1.4 操作因素

压力的波动可能会对加氢装置换热器的性能产生负面影响，压力的不稳定性可能导致金属的应力变化，从而增加了腐蚀的风险，此外，压力波动还可能影响流体的相变行为，导致溶质的沉淀和垢层形成。不合适的操作条件，如不稳定的操作温度和压力、过高的流速、不适当的流体分流等，可能导致垢层的不均匀形成，不均匀的垢层可能会导致金属表面的腐蚀集中在某些区域，从而加剧腐蚀问题。垢层的积聚通常会导致金属表面的不均匀腐蚀，如果不及时清除垢层，垢下腐蚀问题可能会进一步恶化，清除垢层通常需要停机维护，因此操作和维护的不合理安排也可能影响设备的正常运行[5]。

1.5 垢层的存在

垢层可以改变金属表面的电化学特性，形成一个局部的电池，这通常表现为垢层下部的金属成为阳极，而垢层上部的金属成为阴极，这种电化学效应会导致垢下腐蚀的发生，因为在阳极处的金属区域更容易腐蚀。垢层通常是多孔的，允许流体中的氧气或其他氧化剂穿透到垢层下部，形成所谓的"差氧区"，在差氧区内，氧气可以与金属表面发生氧化反应，导致金属腐蚀，这种情况尤其在高温高压条件下更为严重。垢层可以吸附流体中的有害物质，如硫化物、氯化物等，这些物质可能在垢层下积聚，这种积聚可能会导致局部腐蚀，因为有害物质可能在垢下腐蚀区域引发腐蚀反应。垢层的存在可以阻碍腐蚀产物的排放，当金属表面发生腐蚀时，产生的腐蚀产物通常会被流动的液体带走，但是垢层可能阻碍这些产物的排放，导致腐蚀产物在金属表面积聚，增加了腐蚀的风险。垢层内部的化学环境可能与流体相比更有利于腐蚀的发生，这可能会催化腐蚀的发生，例如垢层内部的酸性或碱性环境可能增加了金属的腐蚀速率。

2 加氢装置换热器垢下腐蚀预防措施研究

2.1 合理选择金属材料

选择具有高耐蚀性的金属材料，以适应加氢装置的工作环境，不锈钢在抵抗酸性物质、硫化物、氯化物和碳酸盐等有害成分方面表现良好，常用于加氢装置换热器的制造，镍合金在高温高压和腐蚀性环境下表现出色，钛合金对于氯化物和硫化物的抵抗性极高，适用于一些特殊的加氢装置。详细了解加氢装置中流体的成分是至关重要的，了解流体中的有害物质的浓度和性质，以选择合适的金属材料。考虑加氢装置的工作温度和压力条件，选择金属材料以适应这些条件，一些金属在高温高压下表现良好，而其他金属则可能不适用。考虑金属材料的电化学特性，以确保其与流体成分相容，金属材料的腐蚀电位和电极电位等参数应与流体条件匹配。考虑加氢装置中可能出现的不同腐蚀类型，如硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、碳酸盐腐蚀等，选择材料时应考虑不同腐蚀类型的风险，同时可以考虑使用防护涂层或附加的腐蚀抑制剂，以增强金属材料的抵抗力。

2.2 控制流体成分

实施定期的流体成分监测，以了解加氢装置中流体的成分，可以通过化学分析、在线传感器等手段来实现，了解流体中的有害物质浓度和种类对于预防垢下腐蚀至关重要。硫化物是常见的垢下腐蚀原因之一。通过控制流体中硫化物的浓度，可以降低腐蚀风险，这需要在流体中添加硫化物抑制剂或采取其他化学处理措施，氧气的存在可以引发氧化腐蚀，采取措施如使用氮气气氛或其他保护气体来减少氧气的进入系统，以降低氧化腐蚀的风险，控制流体的pH值可以影响垢下腐蚀的发生。在一些情况下，调整流体的pH值，使其更中性或碱性，可以减少垢下腐蚀的风险。使用适当的过滤器和其他设备，以去除流体中的固体颗粒和杂质，可以减少垢层的形成和腐蚀的风险，同时可以向流体中添加抑制剂或缓冲剂，以降低有害物质的浓度或改善流体的化学性质。

2.3 控制温度压力和流速

确保加氢装置的操作温度在设计范围内，并避免过高或过低的温度，过高的温度可能加速垢层的形成和腐蚀速率，而过低的温度可能导致某些物质的沉淀，在需要降低热损失的情况下，使用绝热材料和保温措施，以稳定温度并减少热交换器表面的结露。确保加氢装置的操作压力在设计范围内，并避免过高或过低的压力，不稳定的压力波动可能导致金属的应力变化，避免突发的压力冲击（如阀门关闭或启动时的冲击），以减少金属材料的应力和腐蚀的机会。控制流体的流速，确保其在设计值范围内，高速流动有助于减小垢层的形成，避免低速流动。因为低速流动可能导致垢层的形成，和清除困难，增加了腐蚀的风险，安装流量控制器和流量计，以确保流体的流速和流量在可控范围内，避免过高或过低的流速。

2.4 定期清洗和维护

制定详细的定期维护计划，包括清洗、检查和修复工作，计划应根据设备的使用情况和腐蚀风险制定，并明确每项工作的频率和程序。定期进行化学清洗，以去除垢层和腐蚀产物，化学清洗过程通常包括使用腐蚀抑制剂和清洗剂，以确保金属表面的清洁，对于难以去除的垢层，可能需要进行机械清洗，如使用高压水射流或机械工具来清除垢层。定期进行水冲洗，以清除设备内部的杂质和腐蚀产物，水冲洗可用于去除固体颗粒和其他沉淀物，使用非破坏性检测技术，如超声波检测或射线检测，来检查金属材料的状况，特别是在清洗后，这有助于及时发现潜在的腐蚀问题。定期检查密封和阀门等关键组件，确保它们没有泄漏或损坏，泄漏可能导致流体成分的变化。还需记录每次维护的数据，包括清洗和修复的详细信息，以及任何发现的问题和采取的纠正措施。

2.5 引入阴极保护

定期测量金属表面的电位，阴极保护的关键是确保金属表面的电位保持在一定的负值范围内，通常在-0.8～1.2V内，电位测量可以通过使用参考电极和电位计来实现，根据电位测量结果，必要时施加电流以保持金属表面的阴极电位，可以通过连接外部电源和阳极材料来实现，以确保电流流向金属表面。将其保持在阴极状态，选择合适的阳极材料，以确保其具有足够的耐蚀性，并且能够提供所需的电流，常见的阳极材料包括铝、镁和锌等。定期检查阴极保护系统的性能，确保阳极和电缆没有损坏或腐蚀，维护包括清洁阳极表面、更换损坏的部件，并修复任何电路故障，根据金属材料、流体成分和工作条件，设定适当的保护电位，定期监控阴极保护系统的性能，包括电位、电流和阳极材料的消耗情况，如果出现异常，立即采取纠正措施。

3 结束语

腐蚀是威胁加氢装置换热器使用寿命和使用安全的重要因素，研究发现加氢装置换热器内部的流体条件和化学环境可能导致金属材料的腐蚀，垢层的形成不仅会增加热阻，还可能催化腐蚀的发生，同时操作温度和压力的波动、流体的化学成分以及操作不当等因素也可能加剧垢下腐蚀问题，因此，需要根据引发加氢装置换热器垢下腐蚀原因的不同，采取多种类型的预防措施，确保加氢装置换热器长期处于安全运行状态。