乙烯碳五分離裝置冷凝器的腐蝕及防護(hù)措施

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

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乙烯碳五分離裝置冷凝器的腐蝕及防護(hù)措施

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

某大型乙烯工廠的碳五分離裝置脫輕塔冷凝器在停工檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)管束出現(xiàn)大量的穿孔泄漏。通過(guò)對(duì)設(shè)備附著物的化學(xué)分析和設(shè)備工況條件分析,得出結(jié)論：冷凝器管束的泄漏原因?yàn)楦g穿孔泄漏。影響腐蝕的主要因素有殼程工藝介質(zhì)冷卻水水質(zhì)不良、流速緩慢、設(shè)備腐蝕防護(hù)措施欠缺等。在此基礎(chǔ)上，提出了控制管束腐蝕的措施，一是改善水質(zhì)，采用混凝、沉清、過(guò)濾等方法，去除原水中泥沙、蟲類、微生物等懸浮雜質(zhì)，加強(qiáng)補(bǔ)充水的處理，做好循環(huán)水旁流過(guò)濾；二是合理控制循環(huán)水流速，應(yīng)保障循環(huán)冷卻水管程流速不小于0.9 m/s；殼程流速不小于0.3 m/s；三是實(shí)施材料防腐蝕措施，可采取有機(jī)涂層防腐、金屬或合金鍍層防腐、材質(zhì)升級(jí)等方式，提高設(shè)備的耐蝕能力。

冷凝器 腐蝕穿孔 原因分析 防護(hù)措施

1 冷凝器失效情況

某乙烯工廠的碳五分離裝置于2013年8月新建投產(chǎn)，運(yùn)行至2014年5月，裝置組織停工檢修，其脫輕塔冷凝器E307(以下簡(jiǎn)稱E307)經(jīng)試壓，發(fā)現(xiàn)有9根管子穿孔泄漏，進(jìn)行堵管處理，堵頭大端φ23 mm，小端φ18 mm，長(zhǎng)度35 mm，維持該設(shè)備運(yùn)行。運(yùn)行至2015年5月時(shí)，E307泄漏加劇，經(jīng)打壓試驗(yàn)檢查，發(fā)現(xiàn)新增漏管42根，再次實(shí)施堵管處理。經(jīng)檢查，殼程浮頭大頭蓋內(nèi)積有較多的黏泥污垢。對(duì)E307管束抽芯檢查，管束表面可見(jiàn)附著大量的黏泥，清除黏泥后，發(fā)現(xiàn)管束表面有一薄層水垢沉積物，質(zhì)地較硬。采用高壓水清洗方法去除沉積物后，又有12根管泄漏(繼續(xù)實(shí)施堵管)，可觀察到管束表層存在嚴(yán)重的腐蝕坑點(diǎn)，具有垢下腐蝕特征(見(jiàn)圖1)。可以判斷，E307穿孔泄漏的原因，是因腐蝕造成的。

圖1 E307管束表面的黏泥和腐蝕坑

2 E307腐蝕因素分析

2.1 E307概況

E307基本參數(shù)如表1所示，相關(guān)部件規(guī)格材質(zhì)如表2所示。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行的工況條件，冷凝器E307相關(guān)部件、附件的材質(zhì)選用均屬正常。

表1 E307 基本工藝參數(shù)一覽

表2 E307部件規(guī)格材質(zhì)一覽

2.2 黏泥樣品分析

取E307管束外表面黏泥樣品進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果顯示：樣品中，550 ℃灼燒質(zhì)量損失達(dá)到29.63%；腐蝕產(chǎn)物Fe2O3占樣品組分的7.53%；結(jié)垢因子(CaO+MgO+P2O5+950 ℃灼燒質(zhì)量損失)占樣品組分的30.06%。揭示出E307管束存在腐蝕的基本條件，同時(shí)也反映出了腐蝕發(fā)生的結(jié)果。

2.3 沉積物類型判斷

由表3黏泥樣品分析結(jié)果及表4沉積物判斷參照表得出：黏泥因子29.6%屬污泥型；腐蝕因子7.53%偏結(jié)垢型；結(jié)垢因子21.39%屬污泥型，因此，判斷該換熱器屬于垢下腐蝕和黏泥微生物腐蝕，以黏泥微生物腐蝕為主。

表3 E307附著黏泥樣品分析結(jié)果

表4 沉積物判別參照

3 E307的腐蝕機(jī)理討論

E307殼程介質(zhì)為敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)所提供的冷卻水，其通過(guò)熱回水在涼水塔噴淋過(guò)程中的蒸發(fā)來(lái)起到冷卻作用，噴淋過(guò)程中，水和空氣充分接觸，水中的氧常處于飽和狀態(tài)，水中氧會(huì)引起金屬鐵的嚴(yán)重腐蝕；同時(shí)，循環(huán)水中孳生、繁殖的微生物形成生物黏泥，會(huì)帶來(lái)金屬鐵的局部腐蝕及其他危害[1]。多重腐蝕因素的共同作用，造成了E307管束的穿孔泄漏。

3.1 E307的循環(huán)水腐蝕

如表2所述，E307管束材質(zhì)為10號(hào)碳素鋼，其在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到水中溶解氧的腐蝕，這是因?yàn)?，和水接觸的金屬由于其化學(xué)成分的不均勻性、氧濃差、溫差等不均一性所造成的電位差異，構(gòu)成了宏觀或微觀電池。在電池的陰陽(yáng)極上發(fā)生了以下電化學(xué)反應(yīng)，使金屬產(chǎn)生腐蝕。

陽(yáng)極反應(yīng)：2Fe→2Fe2++4e

陰極反應(yīng)：2H2O+O2+4e→4OH-

總反應(yīng)： 2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

在氧的作用下，反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行：

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

Fe(OH)3在金屬表面沉積，脫水而形成鐵銹Fe2O3。

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

E307作為冷凝器在循環(huán)水中所遭受腐蝕的程度，往往與pH值、溫度、溶解氧濃度等因素相關(guān)[2]。E307殼程介質(zhì)是循環(huán)水，循環(huán)水pH值為6～9，殼程循環(huán)水的進(jìn)出口溫度為33～43 ℃，循環(huán)水中溶解氧濃度接近飽和，此溫度下溶解氧含量為6～10 μg∕g,在此條件下，氧是陰極去極化劑，金屬腐蝕主要受氧的擴(kuò)散速度控制，腐蝕速度與氧濃度成正比。

循環(huán)水中溶有碳酸氫鈣、碳酸氫鎂等不穩(wěn)定鹽類，水流經(jīng)過(guò)冷凝器管束表面受熱時(shí)產(chǎn)生反應(yīng)：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+ H2O+ CO2↑

同時(shí)，水處理劑中含有磷酸鹽，遇到鈣離子時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)形成沉淀：

CaCO3,Ca3(PO4)2等溶解度小，均是難溶性鹽，結(jié)晶沉淀在冷凝器管束表面形成水垢。正是這些水垢，極大促進(jìn)氧濃差腐蝕發(fā)生的條件，加劇了E307管束的腐蝕。

前述黏泥樣品化學(xué)分析結(jié)果顯示，結(jié)垢因子(CaO-MgO-P2O5)達(dá)到樣品組分的21.39%，外觀形貌觀察結(jié)果表明，E307管束表面附著水垢沉積物，E307管束附著物中腐蝕產(chǎn)物Fe2O3達(dá)到7.53%，以上證據(jù)均印證了其循環(huán)水腐蝕的存在。

3.2 E307的微生物腐蝕及危害

工業(yè)循環(huán)冷卻水污垢和腐蝕產(chǎn)物在550 ℃灼燒失去的質(zhì)量為550 ℃灼燒失重，其燒失組成主要包括有機(jī)物、生物黏泥、化合水和硫化物。一般來(lái)說(shuō)，如果灼燒質(zhì)量損失達(dá)到40%～60%，可以認(rèn)為污垢主要成分是生物黏泥，灼燒質(zhì)量損失大于20%時(shí)，表明有相當(dāng)數(shù)量的生物黏泥存在。圖2和圖3反映出，E307循環(huán)水側(cè)(殼程)存在較多的黏泥。如前所述，E307管束所附著黏泥樣品550 ℃灼燒質(zhì)量損失達(dá)到29.63%，證實(shí)E307管束遭受到微生物的腐蝕和危害。

敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，有充足的陽(yáng)光、氧氣、二氧化碳、有機(jī)物以及適宜的水溫，為微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了便利條件，使其得到良好的繁殖。真菌、細(xì)菌和藻類，是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中造成腐蝕和其它危害的三種微生物，它們的危害有：

(1)產(chǎn)生酸 微生物在沉積物下繁殖，消耗氧氣，產(chǎn)生的代謝物呈酸性，使局部微環(huán)境pH值降低，造成設(shè)備的腐蝕。如硫酸鹽還原菌，將硫酸鹽轉(zhuǎn)化成酸性物質(zhì)，使設(shè)備局部呈酸性而遭受腐蝕；

(2)生成生物黏泥 在設(shè)備低流速區(qū)的表面沉積附著，既降低了設(shè)備的換熱效率，又形成氧濃差電池，加劇了設(shè)備的局部腐蝕；

(3)破壞金屬表面的保護(hù)膜 一些微生物以烴類或某些有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)，它會(huì)破壞有機(jī)緩蝕劑在金屬表面形成的保護(hù)膜，促進(jìn)了設(shè)備的腐蝕。

4 腐蝕防護(hù)措施

4.1 改善水質(zhì)

E307管束附著大量的黏泥污垢，極大促進(jìn)設(shè)備的腐蝕，水質(zhì)改善有待加強(qiáng)。主要措施有如下幾個(gè)方面:首先是加強(qiáng)補(bǔ)充水的處理，要采用混凝、沉清、過(guò)濾等方法，去除原水中泥沙、蟲類、微生物等懸浮雜質(zhì)；采用軟化、除鹽等方法，減少或調(diào)質(zhì)原水中鈣、鎂、鈉、碳酸根、硫酸根等溶解性雜質(zhì)，使循環(huán)水達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]所要求的各項(xiàng)指標(biāo)；其次是做好循環(huán)水旁流過(guò)濾，可去除循環(huán)水中懸浮物和油污，進(jìn)一步改善水質(zhì)。間冷開(kāi)式系統(tǒng)旁濾水量宜為循環(huán)水量的1%～5%；再一個(gè)是加強(qiáng)涼水塔遮蔽措施，防止藻類生長(zhǎng)，防止灰沙、蟲類進(jìn)入水池；最后是選用高效低毒的非氧化性殺菌劑，輔用高效黏泥剝離劑，進(jìn)行殺菌滅藻，以抑制生物黏泥的大量產(chǎn)生[4]。

4.2 合理控制循環(huán)水流速

因工藝原因，E307中，循環(huán)水為殼程介質(zhì)，流速較低，經(jīng)測(cè)算，最低時(shí)僅為0.1 m/s，大大低于循環(huán)冷卻水殼程流速不得小于0.3 m/s的要求。循環(huán)水流速低，會(huì)造成腐蝕產(chǎn)物和黏泥污垢的沉積，加劇設(shè)備的腐蝕。因此，應(yīng)保障循環(huán)冷卻水管程流速不小于0.9 m/s；殼程流速不小于0.3 m/s，并且，應(yīng)盡量避免冷卻器中存在流體死角及低流速區(qū),否則，應(yīng)采取相應(yīng)防腐蝕措施。

4.3 實(shí)施材料防腐措施

可針對(duì)E307循環(huán)水工作環(huán)境，選用合適的材料防腐措施[5]。目前國(guó)內(nèi)外換熱設(shè)備的材料防腐措施大致有以下幾種:一是涂層防腐，利用涂料把介質(zhì)與換熱設(shè)備基體屏蔽開(kāi)，中斷化學(xué)與電化學(xué)腐蝕途徑。二是鍍層防腐，即利用電鍍或化學(xué)鍍工藝在換熱器基體表面沉積一層致密的耐蝕金屬或合金來(lái)抵抗介質(zhì)的侵蝕。例如化學(xué)鍍鎳磷合金等[6-7]。三是材質(zhì)升級(jí)，即通過(guò)提升管束材質(zhì)等級(jí)達(dá)到防止設(shè)備腐蝕的目的，可將管束材質(zhì)由10號(hào)碳素鋼升級(jí)為304奧氏體不銹鋼。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析討論，得到如下結(jié)論：

(1)冷凝器E307管束的泄漏原因?yàn)楦g穿孔泄漏。

(2)造成設(shè)備腐蝕穿孔泄漏的原因，一是循環(huán)水對(duì)金屬的腐蝕；二是E307水側(cè)中生物黏泥的腐蝕和危害。

(3)提出了控制E307管束腐蝕的措施，一是改善水質(zhì)；二是合理控制循環(huán)水流速；三是實(shí)施材料防腐蝕措施。

致 謝

本文得到了張勁松、杜巍、鄭翔等的支持和幫助，在此一并致謝。

[1] 化學(xué)工業(yè)部化工機(jī)械研究院.腐蝕與防護(hù)手冊(cè)-化工生產(chǎn)裝置的腐蝕與防護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:471-472.

[2] M.G.方坦納，N.D.格林.腐蝕工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1982:268-271.

[3] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)化工分會(huì).工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2008:7-10.

[4] 歐陽(yáng)志.循環(huán)冷卻水中生物黏泥偏高的原因及對(duì)策[J].大氮肥，2001,24(1)：65-66.

[5] 葛菊花.浮頭式換熱器失效分析及安全對(duì)策[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

[6] 姬玉林.涂層鍍層相結(jié)合的浮頭式換熱器特種防腐[J].化工腐蝕與防腐，1997,25(4):27-28.

[7] 曾超，宋天民，張國(guó)福.油漿換熱器管板開(kāi)裂原因分析[J].管道技術(shù)及設(shè)備，2005(3):38-39.

(編輯 王菁輝)

Corrosion of Condenser in C5 Separator of Ethylene Plant and Prevention Measures

WuJianping

(SINOPEC-SK(Wuhan)PetrochemicalCo.,Ltd.,Wuhan430082，China)

A large amount of rupture leaking was found during the shutdown for maintenance of the condenser in stripper of C5 separation unit of a large ethylene plant.The analysis of chemical compositions of attachment on the equipment and equipment operating conditions concludes that the leaking of the condenser tubes is corrosion rupture leaking.The main factors affecting the corrosion are poor cooling water quality for the media at the shell side,slow flow velocity and insufficient corrosion prevention measures,etc.Effective corrosion control measures have been proposed such as (1) improvement of water quality by mixed condensing,settlement and filtration,etc to remove the sands,insects and microorganisms,etc from water.Make-up water treatment and cooling water filtration are under strict control; (2) The flow velocity of cooling water are appropriately controlled to ensure that the velocity of cooling water inside the tube side is no lower than 0.9 m/s and that inside the shell side is no lower than 0.3 m/s; (3) material corrosion protection measures are adopted such as application of organic coatings,metal or alloy coatings,material upgrading,etc to improve the corrosion resistance of equipment.

condenser,corrosion perforation,cause analysis,corrosion protection measures

2015-12-06；修改稿收到日期：2015-12-20。

吳建平(1963-)，大學(xué)本科學(xué)歷，中韓(武漢)石油化工有限公司高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事石油化工設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail：wujp@sswpc.com.cn