滲鋁換熱器在常減壓裝置中的應用

齊愛靜

（中油錦州石化公司，遼寧 錦州 121001）

錦州石化公司二套常減壓蒸餾裝置以煉遼河油為主，隨著遼河原油變重，酸值增加，原油酸值已達到2．5～3．1mgKOH/g。高溫易腐蝕部位的酸值已上升到3．5～4．5mgKOH/g，腐蝕集中在常減壓蒸餾裝置中的減壓塔減二線、減三線的蠟油餾分；常壓塔常二中段輕重柴油餾分，是典型的高溫環烷酸腐蝕。1．5～2mm厚的1Cr18Ni9Ti內構件使用1年就基本腐蝕減薄穿孔，表面密集坑蝕。設備腐蝕嚴重，不但影響了分餾效果，而且含有大量鐵離子的餾分油進入到催化裂化裝置，導致催化劑中毒，嚴重降低了催化裂化的經濟效益。對于高溫環烷酸腐蝕，國內外煉廠多采用提高材質等級進行防腐，應用316L、317L不銹鋼等高合金化材質作為耐蝕材料已取得了成功的經驗。但目前國內煉油行業高等級的耐蝕材質難以推廣應用。

1 改進型粉末包埋滲鋁工藝

表面合金化（復合處理）過程，是金屬表面防護手段之一，選擇合理的涂層能在不改變材料和設計的基礎上，使壽命成倍的提高，具有投資少，見效快、效果顯著的特點。鋼鐵表面化學熱處理——滲鋁，就是目前國內普遍應用的表面強化腐蝕防護方法。滲鋁方式有固體粉末滲鋁、熱浸滲鋁、熱噴涂滲鋁、料漿滲鋁、氣體滲鋁、電泳滲鋁、電解滲鋁、快速電加熱滲鋁等。通常應用固體粉末滲鋁和熱浸滲鋁兩種方式，其中以固體粉末滲鋁工藝應用普遍。在煉制高酸值原油耐環烷酸腐蝕應用方面，碳鋼滲鋁環矩鞍填料替代1Cr18Ni9Ti不銹鋼已經獲得了成功。最近幾年滲鋁工藝取得了明顯改善，洛陽設備所研究的改進型固體粉末包埋滲鋁工藝克服了傳統的滲鋁工藝滲層脆、外觀質量差、滲層濃度、厚度不均勻、易剝落等缺點，拓展了滲鋁鋼的應用范圍。

滲鋁反應過程分析如下。

滲鋁劑成分包括鋁源、活化劑、添加劑。采用鋁粉作供鋁源，活化劑為氯化銨、添加劑為價格合理、加工方便的物料。

活化劑氯化銨是一個很重要的組方。它在滲鋁劑中的作用是促使產生活性鋁，加速滲鋁過程，同時把空氣從滲鋁相內排擠出去，以防止粉狀滲鋁劑和工件的氧化。其反應式如下：

產生的活性鋁原子，立即滲入鋼鐵零件表面中，形成Fe-Al合金層。

2 滲鋁鋼的焊接性能

由于鋁與鋼的物理化學性能有極大差別，即使在鋼表面滲入0．1～0．2mm的鋁，對焊接性能也有極大的影響。如鋁與鋼形成多種脆性的金屬間化合物影響接頭性能，鋁的強烈還原作用易在焊縫中產生氣孔。滲鋁層在焊接中可能受到意外損傷等。20世紀80年代我國就研制了多種滲鋁鋼焊接專用焊條，或用涂層防止焊接接頭焊趾處滲鋁層的損傷。但由于各種原因并未在工業中廣泛應用。在對滲鋁鋼及焊接現有狀況研究的基礎上，洛陽設備所在開發了有良好可焊性的改進型粉末包埋滲鋁鋼新工藝同時，研究了相應焊接工藝。對滲鋁低碳鋼管Φ25×2，Φ60×4，Φ114×12 Cr5Mo滲鋁鋼管按其研究的工藝進行了焊接，取得了良好的效果，為滲鋁換熱器的實際應用打下了良好的基礎。碳鋼滲鋁換熱器替代高等級耐蝕材料解決腐蝕問題，以其低成本的優勢而倍受關注。

3 掛片實驗

將滲鋁試片及20#碳鋼、1Cr18Ni9Ti鋼、316L鋼試片放在現場裝置中高溫環烷酸腐蝕部位（常二中換熱器），2002年6月放入，2003年9月大修期間取出。在該部位進行了多種材質的跟蹤掛片，掛片數據見表1。通過現場掛片可見，滲鋁鋼耐蝕性能是1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的15倍左右，與316L鋼耐蝕性能相當。

表1 常二中換熱器部位跟蹤掛片數據(2002.6～2003.7)

通過掛片對比結果可以看出：碳鋼滲鋁具有良好的耐高溫環烷酸腐蝕性能，可替代1Cr18Ni9Ti，與316L耐蝕性能相當。

委托設備研究院作對比分析。對滲鋁試片與未經腐蝕的滲鋁試樣通過4XA金相顯微鏡進行金相檢驗，滲鋁層連續、光滑、致密，滲鋁層試驗前后無明顯變化。用D/max—3C自動X光射線衍射儀對試樣進行了滲層相結構分析，滲層主要為FeAl（β2）合金相，不存在Fe2Al5、FeAl3等脆性相。

腐蝕后的滲鋁試樣通過EB3—SM電子探針發現表面腐蝕膜中有Fe、Al、S、O富集，其中S含量為0．46%（wt）。表面膜中含有微量的 Al2O3、AlCl3和FeS成分。

1Cr18Ni9Ti不 銹 鋼 表 面 腐 蝕 產 物 S：5．95—12．51%；Cl：0．18—0．26%； 腐 蝕 層 中 Ni、Fe、S、Ca、Cl富集。其中在大的點蝕坑中Ni、S、Cl的富集更高些。X射線衍射分析，腐蝕產物相結構主要由Fe1-XS、CaS、Ni3-XS2、FeCl2、Fe3O4、Fe2O3等相組成。掃描電鏡觀察到18-8鋼腐蝕產物形成的網絡狀龜裂裂紋，具有典型的沿晶腐蝕特征。在油汽流沖刷下，表面膜容易剝落而加速腐蝕。在沖刷部位，腐蝕膜中S含量高達14．78%，Ni含量高達30．44%，通過分析檢驗也證明了高溫硫腐蝕又加速了高溫環烷酸腐蝕。

采用EB3—SM電子探針分析儀對隨爐試樣滲層作了鋁含量定量分析（圖1），鋁含量沿滲層深度逐漸下降的梯度比較平緩，保證了滲層具有良好的使用性能。

圖1 由表面向里沿厚度方向鋁含量分布

腐蝕前后滲層厚度變化不明顯，均在0．1～0．15mm之間。用HX—1000顯微硬度計進行表層硬度測量，滲鋁層腐蝕前后顯微硬度見表1。由表2可看出，滲層顯微硬度也無明顯變化，滲鋁層的顯微硬度沿滲層深度逐漸下降，而基體的顯微硬度與滲鋁處理前變化不大。

表2 滲鋁層的顯微硬度

滲鋁試片自1990年開始掛入二套常減壓裝置減二線、減三線、減壓進料段、減底、常二中、常壓進料段、常底等高溫部位，每次大修期間進行檢查，表面無明顯腐蝕現象，長期的掛片試驗充分說明碳鋼滲鋁材料可以放心地在高溫、高酸值介質中使用，其耐蝕性與316L鋼相當，可完全替代18-8鋼。

4 改進型粉末包埋滲鋁現場應用

錦州石化公司二套常減壓裝置于1993年和1995年在減壓塔應用碳鋼滲鋁填料直到今年改造，在減壓塔減二段應用55m3碳鋼滲鋁環矩鞍填料，填料規格：50×28×0．8mm，已經使用了五個周期，每次大修期間進行檢查，表面無明顯腐蝕現象，碳鋼滲鋁在高溫、高酸值部位的腐蝕率遠遠低于碳鋼，耐蝕性能得到了實踐檢驗，已經取得了成功的經驗。由于滲鋁工藝的改進，該滲鋁工藝生產的材料已具備了良好的焊接性能。焊接性能及焊接工藝的提高，為在高溫環烷酸腐蝕嚴重的換熱設備上的應用解決了難題。2007年5月二套常減壓裝置訂購一臺該工藝制造的換熱器管束(BES700—4．0—115—6/25—4)，于當年 6月份用在常二中部位（工藝編號H-712）。該處原為碳鋼換熱器，拔頭油（230℃）與常二中油（350℃）換熱，由于拔頭油和常二中都含有環烷酸，特別是常二中酸值較高，平均使用1年管束就腐蝕失效。1Cr18Ni9Ti換熱器平均使用3年就因環烷酸腐蝕而無法使用。該部位具體位置如圖2所示。

圖2 常壓塔常二中段滲鋁換熱器位置

2016年9月大修期間進行檢查，換熱器管束無明顯腐蝕現象，表面黑灰色，腐蝕前后無明顯變化。由于固體粉末包埋滲鋁工藝技術的改進，滲鋁鋼材料的焊接性能顯著提高，碳鋼滲鋁換熱器在高溫環烷酸腐蝕部位可使用10年，可完全替代1Cr18Ni9Ti換熱器。

5 結語

（1）碳鋼滲鋁材料具有優良的耐高溫環烷酸腐蝕性能，其耐蝕性能是1Cr18Ni9Ti不銹鋼的10～15倍，與316L耐蝕性能相當。

（2）改進型固體粉末包埋滲鋁工藝解決滲層脆性問題，具有良好的焊接性能，適合工業化推廣應用。