加氫裝置高壓空冷器的腐蝕與防護

張偉東，孫 濱

(1.中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101;2.蘭州金峰包裝制品有限公司，甘肅 蘭州 730060)

高壓空冷器是石化行業，加氫裝置關鍵配套的冷換設備，具有高溫、高壓和臨氫的特點。在高溫、高壓氫氣流的沖刷腐蝕下，易發生泄漏失效，造成非計劃停車。某煉油廠渣油加氫裝置有A和B 兩列，處理量為3.1 Mt/a。裝置每列設有一臺第一空冷器，材質為lucoloy825，第二空冷器有4 臺，材質為10 號鋼。其中B 列第二空冷器襯管部位曾在2012 年底出現泄漏，導致B列裝置停產，置換合格后更換空冷器。

1 高壓空冷器簡介

第二空冷器相關參數見表1。第二空冷器共有3 管程，6 排管。每一管程入口端內襯純鈦管，規格為φ18 mm ×0.75 mm，長度為500 mm。襯管與換熱基管的連接采用高溫黏結劑加兩端貼脹的方法。每臺翅片管共有267 根。

表1 第二空冷器主要技術參數

2 高壓空冷器運行情況

渣油加氫裝置共有A 和B 兩列，每年運行周期為8 400 h，裝置可實現單開單停，停工期間更換催化劑，保證催化裂化裝置原料的供應。

2012 年B 列第二空冷器G 臺出現襯管部位滲油情況，根據現場實際情況，確定停工更換空冷器。從圖1 中可以明顯看出在翅片處有滲漏的汽泡。2013 年檢修時發現在2012 年更換的空冷器入口襯管大部分脫出，現場用銅棒復位后再用脹管器補脹。

3 高壓空冷器渦流檢測情況

渣油加氫裝置中的反應流出物系統，介質為H2、油、水和NH4HS 等，壓力一般在15.0 MPa 左右，設備失效后泄漏、爆管的危害嚴重，有時會造成裝置停工或人身傷害。實踐表明該類空冷器失效的基本原因為:加氫原料油中的S 和N 經加氫反應后生成的H2S 和NH3冷卻后反應生成NH4HS，其水溶液在不同的濃度和不同的溫度及不同的流速下產生垢下腐蝕、沖刷腐蝕或二者重疊和交替作用而導致設備失效。近年來，國內多套加氫裂化裝置的REAC 管束多次出現泄漏爆管事故，嚴重威脅裝置的安全、長周期運行。

圖1 高壓空冷滲漏部位

在2013 年大修期間，利用渦流檢測技術對其余7 臺第二空冷器進行抽檢。實際檢測列管90根(總長度1 080 m)，其中201-A-102F 抽測24根，201-A-102G 抽測24 根，201-A-102H 抽測42 根。

檢測方位:面對設備入口側(北側管箱)，以上面為第一排，從上向下計排數，每排從左至右計管數。其中第1，2，5 和6 排的襯管在設備管程介質的入口側，第3 和第4 排在另一側。

圖2 高壓空冷現場管束方位圖

渦流探傷:大部分襯管有內壁信號，是內壁沖刷腐蝕信號。另外襯管上共發現9 根襯管有明顯的外壁缺陷信號，2 根雜亂信號。具體管號見表2。

表2 渦流探傷結果

襯管及過渡區域均未發現異常腐蝕減薄信號，但201-A-102G 的襯管比另外兩臺的襯管厚，分析可能是原始就厚。襯管下基管共發現9 根列管有腐蝕減薄信號，具體管號見表3。

表3 腐蝕減薄位置

從圖3 中可以看出空冷201-A-102H 的管號2-36 明顯存在減薄信號。根據渦流檢測情況來看，碳鋼管束在襯管部位存在明顯缺陷。加之，此高壓空冷已連續運行7 a，考慮下一周期要運行4 a，為保證裝置安全、長周期運行，確定將剩余7臺空冷全部更換掉。

4 高壓空冷運行的工藝條件

第二空冷器入口溫度為243 ℃，出口溫度為45 ℃，壓力為15.3 MPa。在該系統中設計連續注水，每列注水量為15 t/h，注水的性質為凈化水，其相關性質見表4;中石化煉油防腐細則要求指標數據見表5;冷高分酸性水分析情況見表6。由表4 和表5 對比可以看出正常注水的水質滿足注水指標要求。

圖3 渦流檢測到減薄信號與正常信號對照圖

表4 酸性水分析數據(2013 年) mg/L

表5 注水水質指標 μg/g

表6 冷高分酸性水分析情況(2013 年) mg/L

加氫裝置高壓空冷器的選材及流速設計準則依據Kp 值的大小進行。Kp=［H2S］×［NH3］

式中:Kp——物流的腐蝕系數;

［H2S］——物流中H2S 摩爾分數，%

［NH3］——物流中NH3摩爾分數，%

空冷管束選用碳鋼基管，Kp 值應設計控制在以下范圍:Kp 不大于0.07，最高流速控制在9.3 m/s;Kp 為0.1～0.5，流速為4.60～6.09 m/s。控制流速上限為了避免沖刷腐蝕，控制流速下限為避免結垢。

當Kp 值上升，即超過0.5 時，介質最大允許流速下降，最小允許流速上升，被認可的流速為上述流速范圍內更窄的一段范圍，這時的工藝設計是不謹慎且不完善的，應考慮在控制適當的介質流速下增加注水以降低物流腐蝕系數。

經驗表明，當反應產物中的NH4HS 摩爾分數小于2%，空冷器進出口管道對稱布置，管內流體流速控制在3.0～6.0 m/s，并且注水量和質量都滿足要求時，管束可選用碳鋼管束。否則應選用825 合金鋼或雙相不銹鋼。一般奧氏體不銹鋼耐氯化物應力腐蝕的性能較差，不宜選用［1］。

5 防范措施

5.1 做好連續注水工作

加氫裝置原料中富含S 和N 的化合物，并在加氫反應器中轉變成H2S 和NH3，同時該系統存在HCl，在隨后冷卻過程中反應生成NH4Cl和NH4HS，在缺少液態水的情況下，NH4Cl 和NH4HS 會直接由氣相冷凝變成固態晶體。通常NH4Cl 的結晶溫度在176～204 ℃，故其結晶常在空冷前的換熱器中開始;而NH4HS 結晶溫度約在26～65 ℃，因此NH4HS 結晶常發生在空冷器中，從而導致空冷器系統的堵塞。為了防止堵塞，通常需在高壓空冷的上游注水。雖然沖洗水能有效地防止堵塞，但會形成高腐蝕性的NH4HS 水溶液，進而問題由堵塞變成腐蝕。由于NH4HS 溶液的存在，介質的流速受到很大制約，流速太大會發生沖蝕，流速太小又易堵塞，并形成垢下腐蝕。在注水操作的研究中普遍認為，注水量的大小應該使注水處的液態水質量分數不低于25%［2］。

5.2 管程入口處襯316L 管

最早設計襯管材質為鈦管，目前材質更換為316L。襯管位于每排翅片換熱管的入口處，連接方式為脹接。從流速變化來看，襯管尾部結構為直角時，流體擾動最為嚴重，流體出現明顯的減速，出口附近管壁處有明顯漩渦出現，且影響距離較大。襯管尾部結構為45°倒角和1∶10 錐度過渡時，流體擾動極弱，尤其1∶10 錐度過渡結構幾乎看不出擾動現象［3］。

5.3 注多硫化鈉緩蝕劑

多硫化鈉主要成分為Na2S4是一種紅棕色的液體，主要用于減緩煉油廠加氫精制高壓管線、高壓空冷器的腐蝕。加注多硫化鈉后，多硫化鈉先與器壁或管壁反應，在表面上生成FeS 致密保護膜，從而對設備或管線有一定的保護作用。多硫化鈉與NH3及其它氨類化合物反應生成多硫化銨，減少了NH4HS 和NH4Cl 的結垢及凝液沉積，從而抑制了腐蝕［4］。

5.4 操作方面注意事項

不能根據空冷出口溫度調整空冷風機的開停，必須保持全開或增設空冷風機變頻器，用變頻器調整風機轉速，控制每片空冷出口溫度均勻。

［1］侯芙生.中國煉油技術(第三版)［M］.北京:中國石化出版社，2011:404.

［2］Piehl R.Survey of corrosion in hydrocracker effluent air coolers［J］.Materials Performance，1976，15(1):15-20.

［3］劉偉.加氫裂化裝置空冷器管束襯管結構的優化設計［J］.石油煉制與化工，2009，40(2):48-51.

［4］任曉光，盧志剛，宣征南，等.控制加氫裂化高壓空冷器垢下腐蝕的方法探索.［J］石油煉制與化工，2007，38(10):46-49.