脫乙烷塔的腐蝕原因

李應勇

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，湛江 524000)

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失效分析

脫乙烷塔的腐蝕原因

李應勇

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，湛江 524000)

采用滲透法對某海上油田終端脫乙烷塔塔體外表面進行檢測，塔體第一節至第四節筒體共發現56處裂紋，嚴重影響設備的安全運行。通過微觀形貌觀察和化學成分分析等方法對脫乙烷塔裂紋產生的主要原因進行了探討，并提出了相應的解決方法，保證裝置安全平穩運行。結果表明：塔體的失效形式為氯化物引起的應力腐蝕開裂，主要是由于塔外保溫材料破損導致，可通過更換保溫材料或塔體材料等措施進行預防。

脫乙烷塔；裂紋；腐蝕分析

脫乙烷塔是處理天然氣的壓力容器。某油田終端的脫乙烷塔于2003年投產，立式安裝，其結構如圖1所示。其中，從一級低溫分離器分離出的冷凝液(-34 ℃)作為脫乙烷塔的下段進料進入脫乙烷塔，二級低溫分離器分離出的冷凝液(-60 ℃) 作為脫乙烷塔的上段進料進入脫乙烷塔。脫乙烷塔的塔頂溫度控制在-20 ℃，壓力1.7 MPa。塔頂分離出的C1、C2、C3餾分經脫乙烷塔頂冷凝器冷卻到-32 ℃后，再進入脫乙烷塔頂回流罐，這些冷凝液全部作為塔頂回流,由脫乙烷塔回流泵加壓到2.0 MPa后打回塔頂部。塔頂回流罐的冷凝氣進入原料氣/燃料氣換熱器被加熱后，作為分子篩的再生氣，再生結束后去往配氣站作為透平發電機的燃料氣。塔底熱源由脫乙烷塔底重沸器提供，溫度控制在63 ℃。

脫乙烷塔體高28.6 m，下段直徑1 500 mm，上段直徑1 000 mm，塔體厚度為14 mm，設計壓力2.0 MPa，設計溫度-65 ℃/10 ℃，材料為304奧氏體不銹鋼，總質量約為20.1 t。2014年在對該塔進行常規檢查時發現，下封頭上方四個筒節的塔體均出現裂紋。本工作對脫乙烷塔裂紋產生的原因進行了分析，并提出了相應的解決方法，以保證該裝置的安全平穩運行。

1　裂紋檢測與分析

采用滲透檢測法對脫乙烷塔外表面進行了檢測，標注每個裂紋的位置，確定裂紋的分布及數量，獲得完整的數據，如圖2所示。對該塔外表面進行滲透檢測時發現，裂紋主要分布于塔底上方的第一節至第四節的筒體處，共有56道裂紋，裂紋形貌特征相似，大致呈平行狀分布，長10～500 mm，深0.3～12 mm。為了分析裂紋產生的原因，對脫乙烷塔主體材料進行了形貌和成分分析，對塔體保溫材料進行了化學成分分析，同時對脫乙烷塔外部服役環境進行了調研。

1.1主體材料

圖3為塔體外表面一處裂紋的宏觀形貌，在裂紋首尾位置取樣，記為1號和2號試樣。分別對1號、2號裂紋試樣的表面、橫截面及裂紋開裂處進行形貌觀察和腐蝕產物組成分析，結果見圖4～7。

由圖4、5可知，表面裂紋以穿晶裂紋為主。裂紋起源于點蝕坑，有分叉現象，呈枯樹枝狀向深度方向擴展。裂紋存在一個主裂紋和若干個分支裂紋，這是應力腐蝕開裂的主要特征之一。由圖5可見，裂紋內部存在一些腐蝕產物。裂紋開裂處及裂紋內部腐蝕產物的微觀形貌如圖6(a)所示，對腐蝕產物進行能譜分析，結果表明，腐蝕產物除了鐵、鉻、和鎳的氧化物之外，還含有少量的氯元素。對斷口的腐蝕產物進行酸洗除銹，觀察斷口的顯微形貌，如圖7所示，斷口呈現河流花樣，具有明顯的脆性特征。

1.2塔體保溫材料

由于工藝要求，需將脫乙烷塔塔體進行保溫。保溫材料選用硅酸鹽棉。施工工藝為：硅酸鹽棉按一定尺寸制成塊狀成品，安裝在塔體上，用鋼絲纏繞固定，外部再用鋼皮包裹密封。現場情況表明，該塔上部溫度在-14 ℃以下，而在中下部的溫度則高達70 ℃，這說明保溫材料的保溫效果不好。由于塔體上下溫度相差較大，長期有冷凝水從塔體往外滲漏。

保溫材料中主要成分為氧、碳、硅元素，對裂紋處的保溫材料取樣進行能譜分析，結果見圖8。從EDS分析結果看，除氧、碳、硅等主要元素外，保溫材料中還含有部分氯元素以及微量的其他元素，這些元素應該是來自大氣。

1.3氣候特點

該終端所屬島嶼氣候屬于南亞熱帶季風性氣候，四周海洋環繞。年平均降雨為1 380 mm，年平均相對濕度為81.7%，受臺風影響較大，年平均霧日為17.7 d。

2　討論

從上述分析可以確定，該脫乙烷塔塔體的失效形式為氯化物引起的應力腐蝕開裂[1-3]，主要是由于塔外保溫材料破損導致的。(1) 塔體各處溫度不同，造成其外表面附著大量的冷凝水；(2) 保溫材料破裂處的塔體材料直接與外界空氣接觸，空氣中的氧氣源源不斷地溶入冷凝水中，形成腐蝕電池；同時，由于該脫乙烷塔處于海島環境，周圍空氣中含有大量的Cl-[4-5]，易溶解在塔體表面的冷凝水中，使水膜的導電性增加；另一方面，由于Cl-半徑小，易取代氧在塔體表面的鈍化膜上發生吸附作用[6]，破壞了鈍化膜溶解和修復(再鈍化)的動平衡狀態，溶解占優勢，從而使鈍化膜的穩定性和結構發生變化，促進了金屬腐蝕(點蝕)作用的發生。當局部腐蝕發生時，蝕坑內氧含量下降，形成氧濃差腐蝕電池，孔內金屬離子不斷增加，為保持電中性，坑外Cl-進入蝕坑，坑內Cl-含量升高，金屬離子發生水解產生氫離子，使坑內氫離子升高造成坑內pH下降，坑內pH可降至2～3，加速了坑內部腐蝕的進程，即發生了氯離子的自催化腐蝕效應[7-8]。

除了發生點蝕以外，還會發生以下兩種腐蝕：(1) 塔體上下溫差較大，又存在氧氣和冷凝水膜，會形成溫差電池；(2) 保溫材料破損處塔體所接觸的氧氣較保溫材料覆蓋處豐富，可形成氧濃差電池。這兩種電池都可能造成點蝕或其他形式的局部腐蝕。

該塔在運行時內部的壓力高達2 MPa，使塔體外表面處于拉應力狀態。在塔體外表面產生點蝕或其他局部腐蝕的情況下，這些位置就會產生應力集中，成為裂紋源。在塔內應力和腐蝕環境的共同作用下，裂紋源繼續擴展，最終在塔體外表面形成裂紋。另外，裂紋發生的溫度范圍為60～80 ℃，該溫度區間對304不銹鋼的影響尤其嚴重，僅需少量Cl-就可以引起SCC[9-11]。

裂紋產生后，其內部環境與縫隙腐蝕類似，都處于強酸性的活化狀態，由于裂紋較窄，裂紋內表面的溶解緩慢，形成少量的腐蝕產物。

3　結論

(1) 脫乙烷塔外表面發生開裂分為兩個階段：第一階段，較差的保溫效果導致塔體上下產生溫差，造成冷凝水的析出，長期出現的冷凝水促使保溫材料破壞，造成大氣中的鹽分與不銹鋼表面發生接觸，從而產生點蝕；第二階段，塔體為壓力容器，外表面長期受拉應力狀態，促進了點蝕坑深處產生裂紋，即導致應力腐蝕開裂。

(2) 塔體的外防腐措施應采用新型保溫材料，避免使塔體外壁產生較大溫差，并及時對保溫材料進行檢修，以免出現破損造成塔體腐蝕。

(3) 應選用合適的低溫鋼材作為塔體材料。

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Corrosion Reason of a Deethanizer

LI Ying-yong

(Zhanjiang Branch, CNOOC Co., Ltd., Zhanjiang 524000, China)

Penetration method was adopted to detect the external surface of the deethanizer in an offshore oilfield terminal. The results reveal that there were 56 cracks distributed in the first to fourth sections of the deethanizer′s barrel. In order to ensure the safety in production, the main cracking causes were analyzed through the methods of microstructure observation and chemical composition analysis, and the resolutions were presented. The results show that the failure was due to SCC induced by chloride and could be resolved by replacing the materials of the thermal insulation or the deethanizer.

deethanizer; crack; corrosion analysis

10.11973/fsyfh-201609018

2015-04-15

李應勇(1972-),工程師,學士,從事內燃機及機械設備技術研究,0759-3910275,liyy6@cnooc.com.cn

TG172

B

1005-748X(2016)09-0767-04