E2110換熱器浮頭螺栓腐蝕改進措施

莊豐余苗 凱 王明旭

（1.遼陽石化分公司尼龍廠 遼寧遼陽 2.遼陽石化分公司產業結構調整項目部 遼寧遼陽）

腐蝕是化工企業面對的普遍問題，我國尚未進行全國性的腐蝕損失調查，但據1981年國家科委腐蝕科學學科組第三分組，對全國10家化工企業的腐蝕損失調查表明，1980年這些企業因腐蝕造成的經濟損失約為其當年生產產值的3.9%。其次，金屬腐蝕，特別是應力腐蝕和疲勞腐蝕，往往會造成災難性重大事故，危機人身安全。可以說做好設備防腐是降低維護費用和使裝置安全穩定運行的重要保證,如何更好地防止工藝設備因受到腐蝕發生故障而造成重大損失,已成為化工企業亟待解決的重要問題。

一、換熱器情況概述

E2110第三段氧化冷卻器是浮頭式換熱器，是K2100～K2104的5臺反應器尾氣的冷卻器，由遼陽石化公司機械廠制造，2004年11月投用。它是反應器高溫尾氣換熱器的第三臺，進料環己烷在高溫高壓下，在5臺氧化反應器中，經過貧氧氧化生成少量醇酮和大部分環己基過氧化氫，附帶一些酸性產物，而氧化反應是放熱反應，反應熱由環己烷蒸發和氧化氣體從反應器中帶出，氣流要經熱換熱器E2110和E2112與進料環己烷進行熱交換（圖1），達到節能減排的目的。

二、換熱器E2110主要技術參數

E2110主要技術參數見表1。

三、浮頭螺栓腐蝕原因分析

2006年DCS監盤中發現K2100～K2104的5臺反應器反應速率過于激烈，難以調整控制。隨即進行排查，在對換熱器E2110～E2112冷凝液儲罐拆人孔檢查時，發現罐體內壁掛有鐵銹狀物質。根據運行經驗，初步判斷為上游換熱器或管線腐蝕產生鐵銹，隨進料環己烷進入反應器參與氧化反應，鐵起到了一定催化作用，導致反應速率加快。大檢修期間拆下E2110換熱器封頭時，發現內浮頭緊固螺栓腐蝕，情況非常嚴重，部分螺母腐蝕脫落，部分螺桿上有大小不均的腐蝕坑，還有2根螺栓已完全腐蝕掉，只留下螺栓孔。檢查其他部位沒有發現異常。由此斷定，引起反應波動的鐵元素正是來自此處。

圖1 E2110-E2112流程圖

表1 E2110主要技術參數

查閱原設計資料，螺栓材料為35CrMoA，而35CrMoA屬于CrMo鋼系，是一種典型的中碳合金鋼。由于具有良好的力學和工藝性能，在機械制造、汽車和石化行業得到廣泛應用，但其化學成分在中 Cr的含量為 0.8%～1.1%，Ni允許殘余含量≤0.03%，Mo含量0.15%～0.25%。除經特殊處理外（熱處理或滲入合金元素等），耐腐蝕性得不到保證。

在酸性較強（如一元酸、二元酸）溶液中，換熱器浮頭螺栓發生電化學反應放出氫氣，屬于析氫腐蝕。負極（鐵）：鐵被氧化Fe-2e=Fe2+；正極（碳）：溶液中的H+被還原2H++2e=H2。由此電化學機理可知，金屬的電化學腐蝕實質上是短路的電偶電池作用的結果，這種原電池稱為腐蝕電池。電化學腐蝕是最普通、最常見的腐蝕，金屬在大氣、海水、土壤和各種電解質溶液中的腐蝕都屬此類。

四、采取的改造措施

鑒于上述分析，E2110浮頭換熱器螺栓腐蝕的主要原因是選材不合理，考慮到螺栓使用部位介質的基本條件，可選擇替代材料為耐腐蝕性能好的不銹鋼，35CrMoA中Cr、Ni和Mo的含量與不銹鋼相比偏低，而Cr與Ni對不銹鋼的耐腐蝕性能起主要作用。Cr是決定不銹鋼抗腐蝕性能的主要元素，因為鋼中含Cr就能使不銹鋼在氧化介質中產生鈍化現象，即在表面形成一層很薄的膜，在這層膜內富集了Cr。鋼中含Cr量愈高，抗腐蝕性能就愈強，但只有在Ni與Cr配合時才能充分表現出來。Ni是形成奧氏體的合金元素，當Ni與Cr配合使用時，即可使金相組織由單相的鐵素體變為奧氏體和鐵素體雙相組織，經過熱處理，可以提高強度，從而使其具有更強的不銹耐蝕性和良好的形變性能。

按鋼的組織結構分，不銹鋼分為鐵氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。綜合分析各類不銹鋼的性能指標，沉淀硬化不銹鋼固溶后具有奧氏體和馬氏體組織，經強化處理后具有很高的強度和硬度，為改善耐酸性可以加入合金元素鈮、鋁、銅等。這類鋼通常含有10%～30%的Cr，最重要的性能就是強度高（σb 可達 1000～1500 MPa），高溫性能好，特別是其中間接發生馬氏體轉變的鋼，由于Ms點(馬氏體轉變的開始溫度)在室溫以下，它們在常溫仍具有奧氏體組織，易于成形和焊接，然后再經零下溫度處理（轉變為馬氏體）并進行時效強化。這類鋼還有優異的耐腐蝕性，通常根據固溶處理后室溫冷卻，可分為半奧氏體型和馬氏體型沉淀硬化不銹鋼，綜合材料耐腐蝕、硬塑性等理化、力學性能及經濟適用性，替代材料可以初步確定為耐腐蝕性能較好的沉淀硬化不銹鋼，牌號為0Cr15Ni17Mo2Al。

2010年檢修期間，檢修人員把所有浮頭螺栓全部更換為沉淀硬化不銹鋼0Cr15Ni17Mo2Al螺栓，運行一個周期后，打開檢查外觀沒有發現任何異常，與改造前對比明顯（圖2），同時抽取低點螺栓送駐沈陽中國科學院金屬研究所做化學成分、金相組織、機械性能等方面的檢驗分析。分析報告顯示，螺栓表面未發生明顯腐蝕現象，組成元素含量符合相關標準，說明改進的螺栓成功有效。

圖2 使用過的35CrMoA與0Cr15Ni17Mo2Al螺栓對比

五、關于設備腐蝕的兩點思考

化工生產中腐蝕破壞到處可見，腐蝕事故頻頻發生，除了因腐蝕本身所具有的自發性外，很大程度上是因為對腐蝕的危害性估計不足，對腐蝕防護的重要意義認識不深，對腐蝕和防護科學缺乏應有的知識，沒有采取防腐蝕措施或采取的防腐蝕措施不當所致。

1.充分認識腐蝕破壞的原因

生產中存在著許多具有一定腐蝕性的介質，如酸、堿、鹽水、氧等，這是產生腐蝕的主要原因之一。操作中的超溫、超壓，設備管理不善，思想上沒有重視，也是產生腐蝕的主要原因之一。另外，設備結構設計不合理，選材不當，制造加工質量不高，焊接殘余，缺乏防腐措施或施工質量低劣，都為腐蝕破壞提供了環境。

2.注重防腐技術的研發和應用

耐腐蝕材料的研發是防腐蝕技術進步的突破口，人類各時期的技術進步無不與其息息相關，開發一些高性能的合金和有色金屬材料，可以解決局部腐蝕及特殊環境下的腐蝕問題。采用正確的防腐技術是提高設備使用壽命，減少維修費用及提高設備管理水平必不可少的途徑。使用緩蝕劑也可以大大降低金屬在腐蝕介質中的腐蝕速度。化工行業中，主要用于防止工業冷卻水系統的腐蝕和化工設備、管道和鍋爐等化學清洗時的腐蝕，而電化學保護是利用外部電流使金屬腐蝕電位發生變化降低其腐蝕速率的防腐蝕技術。

六、結論

通過對新醇酮裝置反應尾氣冷卻器浮頭螺栓腐蝕問題的分析，認為主要是由于螺栓材質選擇不合理造成的電化學腐蝕。所以提高螺栓材料等級，加強維護保養，優化運行參數，是可以解決換熱器浮頭螺栓腐蝕問題的。