淺談煤化工設備設計材料的選擇

郭桂榮（浙江金氟隆化工裝備有限公司，浙江 金華 321000）

受某工程公司委托設計一臺粗煤氣冷卻器，原該公司氣化爐工藝粗煤氣冷卻方式為水洗冷卻，洗滌水中含有大量的有機物及懸浮物，有惡臭氣味，由于洗滌水存在污染隱患，國家環保部門禁止該公司采用水洗方式冷卻，目前，該公司經過工藝計算，采用三段換熱器間歇方式冷卻，但粗煤氣的組成和性質復雜，換熱器操作條件苛刻，需要對設備材質進行評審論證。

1 結構和流程分析

此換熱器共分三段，每段換熱器之間通過管箱連接，E1段換熱器進口煤氣溫度為350℃，保證換熱器出口不產生凝液，E2段換熱器出口溫度為260℃，E3段換熱器出口溫度為230℃，因為煤氣中含有少量細灰及多種有機物，容易堵塞換熱管，在E2，E3換熱器增加了清洗裝置，結構簡圖如右圖1所示：

其中，進口流量：40000-45000Nm2/h，煤氣壓力：≤0.9-1.5MPa，換熱器阻力降：≤0.4MPa，煤氣中含塵量：≥30mg/Nm3，粉塵粒度：0.2-0.5微米。出口煤氣溫差：≤20℃，冷卻介質為循環冷卻水。粗煤氣的組成如表1所示。

2 介質特性分析

根據粗煤氣的組成，可對其中主要介質特性進行如下分析：

2.1 酸性水腐蝕（酸式酸性水）:含有硫化氫且pH值介于4.5和7.0之間的酸性水引起的金屬腐蝕，介質中有可能含有二氧化碳。碳鋼的酸性水腐蝕一般為均勻減薄，有氧存在時易發生局部腐蝕，形成沉積垢時可能發生垢下局部侵蝕，含CO2的環境可能伴有碳酸鹽應力腐蝕；對奧氏體不銹鋼易發生點蝕、縫隙腐蝕，有時伴有氯化物應力腐蝕產生。

2.2 二氧化碳腐蝕:金屬在潮濕的二氧化碳環境（碳酸）中遭受的腐蝕。腐蝕多發生于氣液相界面和液相系統內，以及可能產生冷凝液的氣相系統冷凝液部位；腐蝕區域壁厚局部減薄，可能形成蝕坑或蝕孔；介質流動沖刷或沖擊作用的部位可能形成腐蝕溝槽，典型腐蝕部位為焊縫根部。

2.3 碳酸鹽應力腐蝕開裂:在碳酸鹽溶液和拉應力共同作用下，碳鋼和低合金鋼焊接接頭附近發生的表面開裂，是應力腐蝕開裂的另一種特殊情況。碳酸鹽應力腐蝕開裂常見于焊接接頭附近的母材，裂紋平行于焊縫擴展，有時也發生在焊縫金屬和熱影響區；易在焊接接頭的缺陷位置形成開裂，裂紋細小并呈蜘蛛網狀，裂紋主要為沿晶型，裂紋間隙內多充滿腐蝕產物。

2.4 氫腐蝕：氫原子或氫離子擴散進入鋼中，會在晶界附近的微隙中結合成氫分子，并部分與碳或碳化物反應生成甲烷，該反應向生成甲烷方向是單方向進行，在縫隙中生成的氫分子和甲烷體積不斷增大，不再超過溶解度為止。縫隙中聚集了很多的氫分子和甲烷分子，會產生數千兆帕的局部高壓，使縫隙壁承受很大的應力。如果這些縫隙靠近金屬表面就會形成表面鼓泡，而在鋼材內部的更多縫隙則會發展成為裂紋，嚴重降低鋼材的力學性能，氫對鋼的這種損傷叫氫腐蝕。對碳鋼而言，當與介質接觸的氫分壓較高，介質的溫度高于200℃，氫原子或離子進入縫隙，與碳或碳化物反應生成甲烷，隙壁的碳含量即相應下降，造成鋼材的脫碳，這種想象叫內部脫碳。當介質中的氫分壓較低而介質的溫度相對較高時，氫滲入鋼中的速度較慢，而鋼中碳的擴散速度較快，碳與氫生成甲烷的反應只在鋼材表面進行，生成的甲烷可隨時逸去，這時鋼材的脫碳叫表面脫碳。表面脫碳可降低脫碳層的含碳量，因而降低鋼材的強度，當介質中含有水蒸汽時會加速表面脫碳的進程。

2.5 濕硫化氫破壞:在含水和硫化氫環境中碳鋼和低合金鋼所發生的損傷過程，包括氫鼓泡、氫致開裂、應力導向氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂四種形式。

2.5.1 氫鼓泡：金屬表面硫化物腐蝕產生的氫原子擴散進入鋼中，并在鋼中的不連續處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結合生成氫分子，造成氫分壓升高并引起局部受壓，發生變形而形成鼓泡。

2.5.2 氫致開裂：在材料內部不同深度形成氫鼓泡時，當相臨的鼓泡會連接在一起，形成的臺階狀開裂為氫致開裂。

2.5.3 應力導向氫致開裂：在焊接殘余應力或其他應力作用下，氫致開裂沿厚度方向不斷連通并形成最終暴露于表面的開裂。

2.5.4 硫化物應力腐蝕開裂：由于金屬表面硫化物腐蝕過程中產生的原子氫吸附造成的一種氫應力開裂。

表1 ：粗煤氣的組成

3 材料的選擇

壓力容器設計中，涉及的往往不僅僅是單一介質，還常常含有H2、CO2、H2S、NH3、NO2以及Cl2等雜質，不同的介質會產生不同的腐蝕環境，對設備材料的選擇影響很大。根據上述介質特性分析，并參考《腐蝕數據與選材手冊》，應對上述介質存在的腐蝕特性進行綜合考慮，并結合SH/T3075-2009《石油化工鋼制壓力容器材料選用規范》附錄C以及硫化氫腐蝕曲線，最終評審論證確定該設備材料選用奧氏體不銹鋼S32168材料既能滿足要求，目前該設備已經正常運行3年，無任何質量問題出現。

4 結語

綜上所述，對粗煤氣化冷卻器材料的選擇，會因介質及其設計工況的不同而有所差別，不僅要考慮工藝條件中的壓力、溫度，還要考慮介質的腐蝕性，并綜合考慮材料的強度、剛度、抗腐蝕性等。本文為工程技術人員在設計選用和工程應用方面提供了參考。

[1]SH/T3075-2009《石油化工鋼制壓力容器材料選用規范》[S].

[2]左景伊左禹.《腐蝕數據與選材手冊》[M].北京：化學工業出版社，1995.