油氣加工裝置冷換設備腐蝕、結垢與泄漏的探討

李作峰（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

油氣加工裝置冷換設備腐蝕、結垢與泄漏的探討

李作峰（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

隨著油氣加工裝置運行時間的延長，天然氣加工設備的腐蝕情況越來越嚴重。在油氣加工裝置中，冷換設備是其中一種重要的設備，它的腐蝕、結垢和泄漏直接影響了油氣加工生產裝置的安全、平穩、長周期的運行。通過對油氣加工裝置運行情況的分析，重點闡述了冷換設備的腐蝕、結垢與泄漏的原因及危害，并提出了一些相關的防護措施，確保油氣加工裝置冷換設備正常運行，降低生產成本，提高產品的質量。

冷換設備；泄漏；腐蝕；結垢

天然氣分公司在運8座循環水場，擔負著生產裝置循環水的供給任務，每年用水量達760×104t。由于循環冷卻水水質的影響，冷換設備表面經常出現腐蝕、結垢和泄漏的現象，使冷換設備的使用壽命縮短。要保證生產裝置的冷換設備能夠長周期運行，從水處理及用水方面都應予以重視。目前，從檢修期間打開的冷換設備來看，均有不同程度的腐蝕與結垢現象，尤其是污垢較多，使換熱效率下降，工藝參數控制受到影響，無法保證設備及裝置的正常運行，而且用水量上升，增加了生產成本，降低了企業的經濟效益。

1 設備腐蝕、結垢與泄漏的影響因素

1.1 主要工藝指標

主要工藝指標控制見表1。

表1 主要工藝指標控制

1）循環水濃縮倍數。濃縮倍數是指循環冷卻水系統在運行的過程中，由于水分的蒸發，風吹損失等情況使循環水不斷濃縮的倍率（以補充水作基準進行比較）。它是衡量水質控制好壞的一個重要的綜合指標。濃縮倍數的高低不僅體現了水的重復利用水平，也是影響循環水水質的重要因素。一般濃縮倍數低，耗水量就大，排污量也就大；濃縮倍數高雖然可以減少用水量，降低新水補充量和排污水量，但過高會使循環冷卻水中的硬度、堿度和濁度升得太高，水的結垢傾向增大很多，從而使結垢、腐蝕控制的難度變大，使水處理藥劑在冷卻水系統內的停留時間增長而水解。目前我國的循環水濃縮倍數[1]一般控制在2.5～5。

大慶油田天然氣紅壓、薩南、北1-1、南壓等水場補水均為新鮮水，補水的堿度、硬度相對較高，以碳酸鈣計，堿度基本在400 mg/L，硬度基本在200 mg/L，總溶解固形物除喇壓外基本在700 mg/L左右，水質屬于高堿高硬水。雖然實施了加藥，但對系統的濃縮倍數沒有明確的控制范圍，這對有效控制水質，減緩系統腐蝕結垢趨勢都極為不利。因此，將循環水濃縮倍數根據系統的實際情況控制在一個科學合理的范圍之內，使系統的腐蝕、結垢傾向處于一個動態平衡的狀態，對生產裝置的穩定運行有著重要意義。此外，在濃縮倍數控制范圍內，盡量提高循環水系統的濃縮倍數，可以減少排污水量，節約水資源。同時，排污水量的減少，也節約了藥劑消耗量。

2）pH值。各種水穩劑都有其適用的pH值范圍，當循環水的pH值低于這一范圍時，水的腐蝕性將增加，造成設備的腐蝕[2]；循環水的pH值高于這一范圍時，則水的結垢傾向增大，容易引起換熱器結垢，采用的是連續加酸調節pH值。

3）阻垢劑濃度。為降低循環水的結垢傾向，需要向水中添加的一種藥劑，即阻垢劑。阻垢劑可分為正磷酸鹽、聚磷酸鹽和酸鹽。其中有機磷酸鹽類使用較多，它既具有緩蝕作用，又有阻垢作用。磷酸鹽雖不易水解，但會被活性氯降解為正磷酸鹽。正磷酸鹽雖然具有一定的緩蝕作用，但它易于與水中的鈣離子生成磷酸鈣垢。因此，控制好加藥濃度是十分重要。

4）懸浮物和濁度。循環水中的懸浮物通常由沙子、塵埃、淤泥、黏土、微生物和腐蝕產物等組成。它們往往是由補充水帶入的，但也可以由空氣或風沙帶入，而有些則是在循環水運行過程中生成的。它們往往聚集在循環水流速較慢或流速突然降低的部位，例如冷卻塔集水池的底部、換熱器的水室和殼程一側的折流板的下部，形成淤泥，從而影響換熱器的冷卻效果和造成垢下腐蝕。

5）游離余氯濃度。循環水每日進行2次沖擊式加氯，加氯時間一般為2 h，加氯量控制在50 kg，系統處于正常狀態時，余氯很容易就能達到控制指標。當余氯出現的時間較正常時間多或余氯量始終達不到規定的指標時，就要密切注意循環冷卻水中微生物的動向，因為微生物繁殖嚴重時，會使循環冷卻水中耗氯量大大地增加。

6）氯離子濃度。氯離子是腐蝕性離子，它能破壞碳鋼、不銹鋼和鋁等金屬或合金表面的鈍化膜，引起金屬點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕破裂。在加氯控制微生物生長的同時，會使循環水中的氯離子濃度升高。

7）掛片腐蝕率。在管道處各安裝了一個掛片架，由于腐蝕掛片是安裝在透明的有機玻璃里，因此能觀察到掛片外觀。當微生物危害或系統腐蝕嚴重時，掛片上常有黑色的鐵銹或黏泥。在系統預處理后掛入一些掛片，系統轉入正常運行后，每月取出一組掛片進行年腐蝕率的測定，同時補充一定數量的掛片。從系統不同部位取出的掛片測定出的年腐蝕率，基本上能客觀直接地反映出循環水系統的運行狀況。

1.2 設備清洗周期

隨著生產裝置運轉時間的延長以及不恰當的濃縮倍數的采用，致使冷換設備管束結垢速度加快，在冷換設備換熱面集結污垢層，造成傳熱面熱阻增加，設備管道堵塞以及垢下腐蝕，嚴重影響了油氣加工設備的正常運行，因此需要及時對冷換設備進行定期清洗。每年的檢修期一般采用高壓水射流清洗，但在清洗管束表面雜質時，由于高壓水流大力沖刷，在清除污垢的同時，也對管束本體造成損害，其結果是冷換設備抗腐蝕和結垢能力越來越差，最終導致頻繁發生泄漏，只能堵住多根管束，維持冷換作用。

另外，在清洗過后，金屬表面有裂縫、傷痕等損傷時，這些損傷部分的金屬相對于未損傷的部分來說，電極電位較負，成為微電池的陽極，因此腐蝕常從這里開始。

1.3 循環冷卻水

循環冷卻水的腐蝕只要是溶解氧的腐蝕，腐蝕現象為管道厚度均勻減薄，冷卻水中有大量的黏泥，金屬表面容易結垢，造成垢下腐蝕，管道出現穿孔、蝕坑等。為了有效地防腐，就要定期進行化學清洗。同時，循環水系統中存在一定量的氯離子，對不銹鋼管造成點腐蝕，嚴重者會引起不銹鋼管開裂。

2 設備腐蝕、結垢與泄漏造成的危害

2.1 設備腐蝕、泄漏

冷換設備一旦發生腐蝕或泄漏，循環水將受到嚴重污染，并給其它冷換設備造成嚴重的后果，具體如下：

◇與循環水中泥沙、鐵的氧化物結合，生成污垢；

◇促進厭氧菌的生長，創造了點蝕的環境；

◇為循環水中的微生物提供營養，促進菌藻滋生，引起垢下腐蝕和微生物腐蝕；

◇增加水的耗氧量，影響加氯的效果；

◇給循環水場造成嚴重沖擊，加重了污水處理負擔。

2.2 冷換設備結垢

冷換設備如果輕微結垢，會降低冷換設備的傳熱效果，增加動力消耗，加工成本上升；如果嚴重結垢，會部分或全部堵塞管束，使循環水流量降低甚至堵塞，輕者通過不停工清洗可以解決堵塞問題，重者必須停工檢修，進行高壓清洗，造成更大的經濟損失。

3 預防及處理措施

由于腐蝕是各種綜合因素造成的結果，因此，必須全面監控循環水運行的各項指標，才能有效地抑制冷換設備的腐蝕。同時針對循環水廠循環水運行的實際情況進行預防和處理。

3.1 濃縮倍數最佳檢測方案的確定

循環水場濃縮倍數的檢測方法有很多種，由于各廠補充水質及循環水運行的差異，不同方法測出的結果都不同，所以對不同的循環水濃縮倍數的檢測方法進行比較是很有必要的[3]。

通過對各水場補水全分析、不同濃縮倍數下的循環水全分析、不同方法測定的濃縮倍數分析、不同濃縮倍數下的腐蝕速率監測分析，確定各水場的濃縮倍數以鉀離子測定最為穩定，數據波動不大，但測定鉀離子需要專用儀器，如火焰光度計或離子色譜等貴重儀器，投資較大，不宜實施；采用溶固測定操作比較繁瑣，加大了崗位工人的工作量，實施難度較大；采用氯離子測定，方法有比色法和儀器法，比色法由于個人對顏色的判斷不同，測量的結果也不一樣，采用儀器測量也需要投資。同時采用軟化水做補水的水場，由于用氯化鈉做再生劑，會人為引入氯離子，導致測定結果不準確，如中七、喇壓、北壓等水場，因此該方法也不可取；采用鈉離子測定相對較為穩定，但也需要設備投資。目前各水場已經配備了電導率儀，該儀器操作簡單，不再需要儀器投資，可以立即實施，盡管該方法有一定的偏差，但也基本滿足生產要求，如果在生產中需要確切數據，可以采用鉀離子方法進一步測定，以確保數據準確。因此，各水場的濃縮倍數可采用電導率儀測定即可。

通過改變有機磷、pH值等，測定阻垢率和腐蝕率，從而確定濃縮倍數的最佳控制范圍[4]。

3.2 調整水處理方案

完善監測項目，及時分析指標變化，統一規定各水場的水質分析項目及分析頻次，技術人員要根據水質指標的變化，分析變化的原因，并采取有效的技術措施，保證水質處理方案的科學性，確保檢測指標在控制范圍之內，藥劑配方兼顧防垢和緩蝕，并合理控制水場的濃縮倍數，達到節能減排的效果。

3.3 充分利用水質現場監測技術

冷換設備的內部情況只有等到每年檢修打開時才能知道，為了避免這種滯后，及時調整水處理藥劑配方，設監測換熱器及監測掛片或腐蝕、污垢監測儀，及時了解化學處理的效果，掌握冷卻水系統腐蝕、沉積與微生物情況，為了保證循環冷卻水系統的優質運行，了解每種藥劑配方的效果，指導冷卻系統的日常運行是非常必要的[5]。在循環水裝置上可以安裝循環冷卻水在線監測系統，監測其pH值及電導率，并根據其輸出信號實現自動加酸、自動排污、自動補水及連續加藥。從本質上提高循環冷卻水工藝指標控制合格率，降低新鮮水及水質穩定藥劑的消耗。

3.4 加強現場管理

作為公用工程系統的循環冷卻水系統，必須有一個良好的管理氛圍，才能達到供水和用水雙方要求，任何一方忽視管理，都會使整個循環水系統陷入僵局，最終受損的將是大量的冷換設備。在被冷卻介質泄漏不斷的循環水系統，任何一種優秀的藥劑配方都不能充分發揮其緩蝕與阻垢的功能，若想使冷換設備少發生或不發生泄漏、腐蝕與結垢的現象，優選藥劑只是該工作的一小部分，更多的是需要作好水質管理工作[6]。

1）現場監測。對現場主要的冷換設備都應建立溫度、端差等監測記錄，并應從換熱器新投用時就開始記錄冷卻水的進出口溫度、工藝介質的進出口溫度；建立并完善化學處理的技術檔案。在易漏換熱器出口可以就地安裝排污閥；當出現泄漏不能及時切換時，可就地排放，減輕水系統污染。

2）控制溫度。裝置的回水溫度不能高于40℃，回水溫度過高，藥劑就會逐漸分解，最終導致藥劑的緩蝕與阻垢功能下降，使冷換設備發生結垢[7]。

3）調節冷卻水流速。水流速高，腐蝕加速，如果流速過緩，雜質容易沉積，尤其是水走殼程的冷換設備。一般來說，水流速度在0.6～1 m/s時，腐蝕速度最小[8]。循環水的流速選擇不能只從腐蝕角度出發，還要考慮到傳熱要求[9]。另外，有些裝置為了節能降耗，關小循環水閥門，最終造成冷換設備堵塞。

4）及時處理泄漏。有時為了確保裝置的加工量，已經泄漏的冷換設備帶病堅持運轉，任循環水受到污染，不但冷換設備的操作受到影響，其它在用的冷卻器也同樣受到牽連。如果連續、反復泄漏，不可避免地造成其它冷換設備發生泄漏、腐蝕或者結垢。因此，及時處理泄漏的冷卻器非常重要，避免事態擴大，形成惡性循環，盡早給循環水場提供補救處理的環境和條件，

5）完善管理制度。供水和用水是全員問題，無論何時發現泄漏跡象，都要及時查切冷換設備，不能消極等待，必須制定出合理有效的管理制度。

4 結束語

冷換設備是循環水系統的重要組成部分，它的腐蝕、結垢與泄漏直接導致循環水的水質嚴重惡化，進而威脅企業的安全生產。因此為了減少意外停機，穩定生產，延長設備的使用壽命，節約用水，減少環境污染，提高經濟效益，我們必須要高度重視循環冷卻水的水質處理，科學管理，完善檢測項目，加強現場監測，合理調整藥劑配方，減少冷卻水對換熱設備的腐蝕。

[1]葉曉林.復雜補水循環水系統濃縮倍數的計算[J].石油化工腐蝕與防護，2008，25（6）：26-28.

[2]卞建華，張建民.石油化工設備腐蝕問題的探討[J].山東化工，2008，37（6）：28-31.

[3]李晉萍.循環水濃縮倍數的涵義及控制方法探討[J].企業技術開發，2012，31（28）：61-62.

[4]楊洋.提高循環冷卻水系統濃縮倍數的措施[J].資源開發與市場，2012，28（6）：489-491.

[5]劉莉.循環水日常監測及防范處理[J].大氮肥，2002，25（1）：39-41.

[6]陳曉峰，孔慶義.循環水系統腐蝕原因對比分析[J].全面腐蝕控制，2003，17（2）：18-19.

[7]張明，唐成軍.冷換設備結垢原因分析及其預防[J].石油和化工設備，2011，14（10）：68-70.

[8]張艷麗.冷換設備管束的腐蝕與防護[J].化學工程師，2004（10）：31-32.

[9]郭強.冷換設備的腐蝕原因及防護措施[J].國外油田工程，2001（12）：45-48.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.01.011

2016-09-06

（編輯 鞏亞清）

李作峰：高級工程師，2003年畢業于北京理工大學（材料學專業），從事檢定檢測技術及管理工作，E-mail：dalizf@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司天然氣分公司檢測中心讓胡路區玉門街131號，163311。