某氯乙烯裝置氯化氫塔保溫層下腐蝕原因分析

李開亞，劉國(guó)棟，楊雄，陳賢洮

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，英文縮寫CUI）是指發(fā)生在包裹保溫隔熱材料的金屬容器、管道等設(shè)備外表面，由于水分及腐蝕性介質(zhì)滲入而引發(fā)的一種腐蝕現(xiàn)象。由于外部防護(hù)層以及保溫材料的覆蓋，使得CUI 現(xiàn)象很難在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，具有隱蔽性，難以檢測(cè)的特點(diǎn)，故很容易引起嚴(yán)重的突發(fā)性泄漏事故。筆者曾參加某廠氯乙烯裝置停工檢修時(shí)設(shè)備全面檢驗(yàn)工作，發(fā)現(xiàn)該裝置一臺(tái)氯化氫塔外壁部分位置保溫層下腐蝕減薄尤為嚴(yán)重，局部腐蝕穿透，塔體輕微變形?，F(xiàn)針對(duì)該設(shè)備腐蝕情況，分析其產(chǎn)生原因，進(jìn)而提出相關(guān)建議。

1 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及工藝概述

（1）設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。此臺(tái)塔器2004 年投用，至本次檢修已使用超過13 年。塔內(nèi)徑：上1500/ 下2400mm，塔高：36478mm，筒體名義厚度：上段14mm、錐段22mm、下段16mm，封頭名義厚度：上14（實(shí)用16）/ 下16（ 實(shí) 用18）mm， 腐 蝕 裕 度：3mm，塔體材質(zhì)：上段09MnNiDR、錐段16MnR、下段16MnR，設(shè)計(jì)壓力：1.6/-0.1MPa，工作壓力：1.45/-0.1MPa，設(shè)計(jì)溫度：上段140/-45℃、下段220℃，工作溫度：上段≤120/≥-40、下段≤180，工作介質(zhì)：HCL、VCM（氯乙烯）、EDC（二氯乙烷）。

（2）運(yùn)行工藝概述。氯乙烯生產(chǎn)過程中，生成的精二氯乙烷加熱到一定的溫度發(fā)生裂解反應(yīng)，生成裂解反應(yīng)產(chǎn)物氯乙烯、氯化氫和少量未裂解的二氯乙烷，裂解反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入急冷塔冷卻后，塔頂氣相再與原料二氯乙烷換熱，經(jīng)空冷、水冷等方式冷卻后進(jìn)入氯化氫塔。裂解反應(yīng)產(chǎn)物首先在氯化氫塔上段中分離出高純度的氯化氫，經(jīng)冷卻回收后的氯化氫送往氧氯化工序，氯化氫塔塔底物料送入氯乙烯塔，經(jīng)氯乙烯塔和氯乙烯氣體塔分離最終得到產(chǎn)品氯乙烯單體。

2 檢驗(yàn)過程與結(jié)果

（1）宏觀檢驗(yàn)。根據(jù)該塔器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別對(duì)該塔外壁上段、錐段、下段抽取部分位置拆除保溫層，對(duì)塔體進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)。

拆除外保溫前發(fā)現(xiàn)鋁皮除部分位置有輕微腐蝕破損外其余位置基本完好，難以看出內(nèi)部真實(shí)腐蝕情況。拆除外部鋁皮和保溫層后，發(fā)現(xiàn)保溫支撐圈上部塔體外部銹層很厚，呈多層、疏松狀，部分位置外部銹層呈黑色及褐色狀，內(nèi)部銹層呈褐色及紅色狀，塔外壁腐蝕特別嚴(yán)重，如圖1、圖2 所示。將外部腐蝕雜物清理后發(fā)現(xiàn)，塔體表面凹凸不平，密集腐蝕坑，部分位置已經(jīng)腐蝕穿透，腐蝕嚴(yán)重部位處塔體有輕微變形，如圖3、圖4 所示。另外對(duì)塔體內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

經(jīng)宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重部位均在保溫支撐圈上部約600mm 范圍以內(nèi)區(qū)域，故對(duì)該塔其他保溫支撐圈附近保溫拆除進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均有不同程度類似情況的腐蝕。

圖1

圖2

圖3

圖4

（2）壁厚測(cè)定。使用CTS-30A 型超聲波測(cè)厚儀對(duì)塔體上、下封頭，上段、錐段、下段筒體進(jìn)行壁厚測(cè)定。根據(jù)宏觀檢驗(yàn)及壁厚測(cè)定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該塔上下封頭無(wú)明顯腐蝕，壁厚正常，筒體上段外部未見保溫支撐圈露出，筒體狀況良好，壁厚正常，錐段表面有輕微腐蝕，但壁厚基本正常。

筒體下段有四處保溫支撐圈，分別對(duì)四處保溫支撐圈相連的上部約600mm 內(nèi)的腐蝕區(qū)域進(jìn)行壁厚測(cè)定，在此區(qū)域內(nèi)，測(cè)厚區(qū)1、2 壁厚減薄最嚴(yán)重，測(cè)厚區(qū)1 筒體已經(jīng)腐蝕穿孔，測(cè)厚區(qū)2 測(cè)得筒體壁厚最小為1.9mm，測(cè)厚區(qū)3 測(cè)得壁厚最小為12.0mm，上次檢驗(yàn)減薄區(qū)域外部經(jīng)玻璃鋼處理后本次測(cè)得厚度變化較小，測(cè)厚位置示意如圖5 所示。另外對(duì)筒體保溫支撐圈相連600mm 范圍以外部位測(cè)厚，測(cè)得壁厚基本無(wú)減薄。

圖5

（3）表面及埋藏缺陷檢測(cè)。使用DA1203 型便攜式交流磁探儀以及PXUT-350+型數(shù)字脈沖超聲波檢測(cè)儀對(duì)抽查部位對(duì)接焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)以及內(nèi)部埋藏缺陷檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)可記錄超標(biāo)缺陷。

3 腐蝕原因分析

根據(jù)Geary W.、姜瑩潔等研究分析認(rèn)為水分或腐蝕性介質(zhì)滲入、溫度是造成CUI 的主要原因，這也與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果相一致。以下將結(jié)合該氯化氫塔自身結(jié)構(gòu)分析其產(chǎn)生CUI 的原因。

（1）保溫支撐圈結(jié)構(gòu)與保溫層厚度不合理。根據(jù)塔器設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定，得知該氯化氫塔保溫支撐圈應(yīng)劃歸為I 型結(jié)構(gòu)，但又不完全符合I 型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。I 型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同塔徑，單個(gè)保溫支撐圈一般由4～8 塊組成，保溫層厚度比保溫支撐圈寬度大10～50mm，表1為保溫層厚度與保溫圈寬度對(duì)應(yīng)尺寸關(guān)系。

該塔保溫支撐圈為整圈整體焊接在筒體外壁，且保溫層厚度小于保溫支撐圈寬度，故保溫支撐圈結(jié)構(gòu)與保溫層厚度不合理，雨水等液體在其凸出部位積累，進(jìn)而滲入保溫絕熱材料內(nèi)形成聚集，難以揮發(fā)，圖6、7所示為現(xiàn)場(chǎng)保溫支撐圈與保溫層實(shí)際位置?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)具有類似保溫圈結(jié)構(gòu)凸出的塔器，筒體外壁腐蝕情況為靠近保溫圈的區(qū)域，均比遠(yuǎn)離保溫圈區(qū)域嚴(yán)重。

表1 mm

圖6

圖7

（2）外保溫隔熱材料對(duì)液體的毛細(xì)吸附作用。該塔外保溫隔熱材料為巖棉，其優(yōu)點(diǎn)有導(dǎo)熱系數(shù)小、不可燃等，但不防潮濕、雨水，具有吸水性、親水性。巖棉本身為致密纖維結(jié)構(gòu)，對(duì)液體具有毛細(xì)作用，當(dāng)雨水和腐蝕性液體聚集時(shí)便被吸附進(jìn)保溫材料中。另外保溫材料與容器或管道貼合時(shí)形成的細(xì)小間隙也會(huì)使雨水和腐蝕性液體滲入以致聚集和濃縮，增強(qiáng)腐蝕性。加之保溫材料外部由鋁箔等防護(hù)層存在使得雨水等液體不易揮發(fā)，形成長(zhǎng)期密閉的腐蝕環(huán)境。

（3）外防腐涂層脫落。防腐涂層直接阻隔外腐蝕環(huán)境與金屬表面接觸，對(duì)金屬防腐至關(guān)重要，但隨著時(shí)間增加，熱膨脹與收縮的影響，以及涂層本身降解失效等原因，涂層會(huì)部分分層或脫落，以致金屬直接裸露，與雨水等雜質(zhì)接觸造成腐蝕。

（4）發(fā)生在腐蝕溫度區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)資料顯示，當(dāng)溫度在-4～175℃區(qū)間時(shí)，處于相對(duì)潮濕環(huán)境下的鋼材，包覆在保溫層下時(shí)，最容易發(fā)生腐蝕，且在達(dá)到水的沸點(diǎn)之前，溫度每升高15 到20℃，腐蝕速率就會(huì)加倍。

該塔下段工作溫度≤180 ℃，上段工作溫度≤120℃，塔頂部工作溫度≥-40℃，塔體下段至上段，溫度減小，設(shè)備運(yùn)行時(shí)受工藝影響，塔體溫度也會(huì)有所波動(dòng)，加之塔體連接外保溫圈外露散失部分熱量，使得保溫圈附近塔體溫度更靠近易腐蝕溫度區(qū)間的中心。另外受季節(jié)、晝夜溫差、雨雪等氣候影響，使得靠近保溫圈處保溫材料內(nèi)的濕氣在溫差下形成微循環(huán)，加速塔體腐蝕。

（5）生產(chǎn)工藝及環(huán)境因素影響。檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該廠設(shè)備整體腐蝕情況較為突出，受工藝及環(huán)境因素影響所致。針對(duì)該氯化氫塔腐蝕情況，據(jù)車間技術(shù)人員介紹得知旁邊的洗滌塔塔頂排出氣體對(duì)氯化氫塔的腐蝕也有一定影響。

急冷氣在通過洗滌塔后，有少量未被完全吸收的酸性氣體排入大氣，這部分酸性氣體以HCL 氣體為主，當(dāng)遇到風(fēng)雨天氣時(shí)，酸性氣體溶于雨水后被風(fēng)吹落至氯化氫塔外保溫防護(hù)層上，在外凸的保溫圈處積累、滲透進(jìn)入保溫材料至筒體外壁，如圖8 所示，在溫度、干濕循環(huán)作用下，酸性腐蝕液濃度增加且難以揮發(fā)長(zhǎng)期積累，對(duì)塔體造成嚴(yán)重腐蝕，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)腐蝕穿透部位為靠近洗滌塔一側(cè)。

圖8

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)論。①保溫圈寬度大于保溫材料寬度，保溫圈根部容易積液；②保溫材料對(duì)雨水的毛細(xì)吸收作用；③設(shè)備使用時(shí)間較長(zhǎng)，外防腐涂層失效；④塔器腐蝕段工作溫度處于易發(fā)生CUI 的溫度區(qū)間-4～175℃；⑤外界環(huán)境中含有酸性介質(zhì)，且容易滲入塔體保溫層內(nèi)。

（2）建議。①合理設(shè)計(jì)和使用保溫材料與保溫圈，可選擇新型疏水性保溫材料，保溫圈可用釘或勾類結(jié)構(gòu)，保溫材料與保溫圈之間寬度應(yīng)符合規(guī)范要求；②防腐涂層升級(jí)，如使用環(huán)氧酚醛涂料或熱噴鋁等。另外現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)廠方外糊玻璃鋼也是一種簡(jiǎn)便有效的方法；③設(shè)備維護(hù)、檢驗(yàn)時(shí)注意工作溫度在-4～175℃區(qū)間的設(shè)備保溫層下腐蝕情況，對(duì)容易發(fā)生積液，或保溫破損的地方重點(diǎn)觀察和檢驗(yàn)，對(duì)外露的銘牌、接管及支架等易滲入雨水及熱量散失的地方也應(yīng)重點(diǎn)觀察和檢驗(yàn)；④注意相鄰設(shè)備熱量、排出物及揮發(fā)物的影響，及時(shí)做好隔離或有效防護(hù)措施。