PTA裝置脫水塔T403入口管線腐蝕分析

李向群

(中國石油化工股份有限公司儀征化纖股份有限公司，江蘇儀征 211900)

PTA裝置脫水塔T403入口管線腐蝕分析

李向群

(中國石油化工股份有限公司儀征化纖股份有限公司，江蘇儀征 211900)

介紹了PTA裝置溶劑回收系統(tǒng)脫水塔T403入口管線焊縫及基材的腐蝕情況，通過宏觀和低倍觀察，發(fā)現(xiàn)入口管線焊縫區(qū)發(fā)生沖刷腐蝕及化學(xué)腐蝕;通過金相與硬度測試及材質(zhì)成分分析，發(fā)現(xiàn)入口管基材與焊縫的成分和組織的差異;通過掃描電鏡分析和電化學(xué)試驗等方法分析其各自電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)基材的耐蝕性明顯地高于焊縫處，從而使得焊縫區(qū)容易發(fā)生優(yōu)先腐蝕;加上流體的沖刷腐蝕，使焊縫處逐漸凹下，從而導(dǎo)致經(jīng)過該處的流體產(chǎn)生湍流，最終加劇該焊縫處的沖刷腐蝕，直到焊縫穿孔。為防止焊縫的優(yōu)先沖刷腐蝕，應(yīng)選擇耐蝕性略高于至少同于基材耐蝕性的焊縫金屬，并對焊后的焊縫表面進行有效的處理，以減少流體對其的重點沖刷。實踐證明，PTA裝置中，在水與醋酸的環(huán)境下，鈦材是最好的選擇。

PTA 脫水塔 腐蝕 沖刷

PTA裝置溶劑回收系統(tǒng)主要通過分離、加熱、脫水和精餾等工序回收合乎生產(chǎn)需要的醋酸，涉及的介質(zhì)主要是高含量的醋酸。脫水塔T403主要接受來自氧化反應(yīng)器、結(jié)晶器的氣相冷凝液和高壓吸收塔來的醋酸溶液等幾股進料，并且從不同的塔板處進入，經(jīng)脫水塔再沸器E403加熱，通過精餾分別在塔底、塔頂?shù)玫胶虾跎a(chǎn)需要的醋酸和水溶液。通過對T403的整體測厚情況觀察沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重減薄，但是從汽提塔T402來的氣相入口管線發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，該管線的材質(zhì)為317L不銹鋼(00Cr19Ni13Mo3);管內(nèi)介質(zhì)為水與醋酸蒸汽，溫度為103～133℃;T403塔內(nèi)壓力為26.86(塔頂)～37.66(塔底)kPa。3l7L屬于高鉬超低碳奧氏體不銹鋼，317L與常規(guī)的鉻-鎳奧氏體不銹鋼(如304合金)相比，具有更強的抗化學(xué)腐蝕能力，更高的延展性、抗應(yīng)力腐蝕性能、耐壓強度及耐高溫性能［1］。

1 宏觀和低倍分析

T403塔入口管的腐蝕在入口管法蘭結(jié)合面和內(nèi)壁上，該入口管的接管前面部分是鈦材，而筒體部分接管的材質(zhì)是317L，發(fā)現(xiàn)這次腐蝕主要發(fā)生在筒體接管處。從入口管內(nèi)壁上割取一塊帶有焊縫的管壁作為T403塔入口管腐蝕分析的樣品，焊縫處明顯薄于管壁，顏色呈灰黑色，并已經(jīng)穿孔;與焊縫連接的管壁上布滿大大小小的橢圓形的馬蹄坑，表面有少量的棕紅色銹斑。入口管外壁表面只是覆有棕紅色銹斑，入口管焊縫處厚度明顯地薄于管壁，穿孔也發(fā)生在焊縫處。T403塔入口管腐蝕形貌見圖1。

圖1 T403塔入口管腐蝕形貌Fig.1 T403 tower inlet pipe corrosion morphology

從入口管的宏觀和低倍分析的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)入口管內(nèi)壁受到了管內(nèi)介質(zhì)的沖刷腐蝕和水與醋酸蒸汽的化學(xué)腐蝕，雖然317L有較高的耐晶間腐蝕和耐點蝕性能，但是在103～133℃ ，長時間作用也會發(fā)生腐蝕。而焊縫處表面不光滑使得發(fā)生腐蝕的速率較管壁高，加上長期沖刷，所以焊縫處腐蝕尤為嚴(yán)重，原來與管壁平齊、厚度相等的焊縫經(jīng)過沖刷腐蝕后明顯地減薄直到穿孔。

2 金相分析與硬度測試

從T403塔入口管上截取金相樣品，經(jīng)研磨、拋光、用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))草酸溶液電解腐蝕后，觀察其金相顯微組織并進行硬度測試。T403塔入口管在焊縫處明顯地減薄。而入口管外壁由于沒有流體的沖刷腐蝕，管壁平直，焊縫與管壁焊接處結(jié)合良好，只是組織上存在很大差異。T403塔入口管焊縫處金相組織觀察結(jié)果見圖2。

使用HX-1型顯微硬度計，測定焊縫與管壁基材的硬度值，結(jié)果表明，兩者的硬度基本相同。

3 材質(zhì)成分分析

利用掃描電鏡能譜儀分別對T403塔入口管壁基材和焊縫處進行元素成分半定量分析。測定結(jié)果表明，T403塔入口管壁基材和焊縫的材質(zhì)成分雖然都是Cr-Ni-Mo奧氏體不銹鋼，但含量和成分存在差異，詳見圖3。

圖2 T403塔入口管焊縫處金相組織Fig.2 T403 tower at the entrance of the pipeline weld microstructure

圖3 T403塔入口管壁基體、焊縫成分分析Fig.3 T403 tower inlet pipe wall base,weld composition analysis

317L(00Cr19Ni13Mo3)材質(zhì)中 Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于、等于1.00%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為小于、等于2.00%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.00% ～15.00%，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.00% ～20.00%，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.00%～4.00%，通過分析發(fā)現(xiàn)基材成分沒有發(fā)生改變，但是焊縫處的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)已大于1.00%，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值4.00%。

4 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對T403塔入口管樣品內(nèi)壁A，B和C區(qū)，進行形貌觀察和能譜分析，詳見圖4。

圖4 T403塔入口管樣品內(nèi)壁分析區(qū)域Fig.4 T403towerinletpipewallbase,weldcompositionanalysis

A區(qū)為焊縫穿孔處附近，流體的沖刷腐蝕使焊縫內(nèi)壁表面金屬成為疏松“海綿狀”或“麥秸狀”，主要構(gòu)成元素還是 Cr，Ni，Mo和 Fe等這些Cr-Ni奧氏體不銹鋼的基本成分。

B區(qū)為焊縫與基材的結(jié)合處，焊縫兩側(cè)的基材在流體沖刷腐蝕的作用下，由于流體流向的因素，在焊縫兩側(cè)的基材上留下明顯不同的沖刷腐蝕痕跡;而在與基材結(jié)合的焊縫中，由于焊縫凝固時晶粒生長的方向性，留下了類似于“割倒麥秸狀”。

C區(qū)為內(nèi)壁基材，由于流體沖刷的作用基本沒有腐蝕產(chǎn)物的存在，只能見到內(nèi)壁基材經(jīng)沖刷腐蝕后而留下的痕跡——“馬蹄坑”。

5 電化學(xué)試驗

分別從T403塔入口管樣品上的基材與焊縫部分制成電化學(xué)試驗樣品，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%醋酸水溶液，25℃的條件下測試其動電位極化曲線，詳見圖5。

試驗結(jié)果表明，基材的腐蝕電壓為－0.022 V，腐蝕電流為6.68E－7A/cm2;焊縫的腐蝕電壓為－0.074V，腐蝕電流為4.61E－6A/cm2。兩者的腐蝕電壓相差50 mV，腐蝕電流相差一個數(shù)量級，因此基材的耐蝕性能明顯優(yōu)于焊縫。

圖5 入口管樣品上基材與焊縫極化曲線Fig.5 Inlet pipe weld on the sample substrate and the polarization curves

6 分析與討論

當(dāng)帶有焊縫的金屬構(gòu)件暴露于腐蝕介質(zhì)環(huán)境時，不可避免地發(fā)生焊縫區(qū)的各種類型腐蝕:選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕以及均勻腐蝕等。其中A為焊接應(yīng)達到的理想效果;B和C兩種情況主要是由于基材和焊縫金屬之間化學(xué)成分或組織的差異導(dǎo)致兩者電化學(xué)性能的不同，從而產(chǎn)生焊縫金屬或基材的優(yōu)先腐蝕。焊縫區(qū)的選擇性(優(yōu)先)腐蝕是危害較嚴(yán)重的一種腐蝕形式［2］。

T403塔入口管基材與焊縫存在著成分和組織的差異，其各自的電化學(xué)性能也不同，基材的耐蝕性明顯地高于焊縫處，使得焊縫區(qū)容易發(fā)生優(yōu)先腐蝕。同時，除了腐蝕的作用外，還有流體的沖刷作用，腐蝕與沖刷共同作用所造成的破壞結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于腐蝕或沖刷的單一作用。當(dāng)焊縫優(yōu)先腐蝕后，流體將腐蝕產(chǎn)物沖刷掉，經(jīng)過腐蝕和沖刷的不斷作用，焊縫處逐漸地產(chǎn)生凹下，焊縫處的凹下會使經(jīng)過該處的流體產(chǎn)生湍流，從而加劇該焊縫處的沖刷腐蝕，直至穿孔。

7 結(jié)論及建議

T403塔入口管焊縫減薄并穿孔是塔內(nèi)介質(zhì)對其優(yōu)先腐蝕并沖刷共同作用的結(jié)果。為防止焊縫的優(yōu)先沖刷腐蝕，應(yīng)選擇耐蝕性略高于至少同于基材耐蝕性的焊縫金屬，并對焊后的焊縫表面進行有效處理，以減少流體對其的重點沖刷。

另外，該系統(tǒng)是醋酸回收系統(tǒng)，設(shè)備原先材質(zhì)為904L或317L，它們雖然抗腐蝕能力強，材料等級較高，但是均出現(xiàn)不同程度的腐蝕，特別是筒體焊縫區(qū)域均勻腐蝕嚴(yán)重，所以從2005年相繼更換成鈦材，目前狀況完好。雖然2205型雙相不銹鋼以其優(yōu)越的耐腐蝕性能(包括均勻腐蝕和局部腐蝕)、機械性能、機加工性能和良好的焊接性能被大量應(yīng)用于PTA技術(shù)，在80～135℃，基本取代早期PTA裝置中的317L，國產(chǎn)化的PTA裝置甚至部分取代了鈦材，但是實踐證明，PTA裝置中，在水與醋酸的環(huán)境下，鈦材是最好的選擇。

［1］任凌波，任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:21.

［2］鄭玉貴，姚治銘，柯偉.焊縫區(qū)選擇性腐蝕及其防護措施［J］.化工機械，1993，20(6):359-365.

Analysis of Corrosion of Inlet Line of Dehydration Tower T403 in PTA Unit

Li Xiangqun
(SINOPEC Yizheng Chemical Fiber Co.，Ltd.，Yizheng，Jiangsu 211900)

The corrosion in welds and base material of inlet line of dehydration tower in solvent recovery system of PTA unit was introduced.The macro inspection and low－power examination found impingement erosion and chemical corrosion at welds of inlet line.The metallography and hardness testing and metallurgy analysis found the differences in composition and structure between base material of inlet line and welds.The analysis of chemical properties by scanning electron microscope(SEM)and electro － chemical testing demonstrated that the corrosion resistance of base material was obviously higher than that of welds.Therefore，the welds were subject to corrosion.Under the effect of impingement of fluid，the welds were gradually becoming concave which resulted in turbulent flow of fluid and finally led to erosion corrosion and welds failure.To prevent erosion corrosion of welds，the welding metal whose corrosion resistance is equal to or greater than that of base material shall be selected，and the weld surface should be effectively treated to minimize the impingement of fluid.The practice has showed that Ti material is a good selection for acetic acid and water environment in PTA unit.

PTA，dehydration tower，corrosion，impingement

TE986

A

1007－015X(2012)01－0061－04

2011－10－ 15;修改稿收到日期:2011－11－29。

李向群，(1977－)，女，2001年畢業(yè)于連云港化工高等?？茖W(xué)校(現(xiàn)淮海工學(xué)院)化工工藝專業(yè)，在公司運行保障室負(fù)責(zé)PTA生產(chǎn)中心壓力容器、壓力管道、安全附件、起重機械等特種設(shè)備、常壓儲罐的專業(yè)管理及相關(guān)腐蝕管理等工作。E-mail:Lixq－yzhx@sinopec.ocm

(編輯 張向陽)