酸氣放空系統水封罐的選材設計

摘要：本文分析了酸氣放空系統水封罐的腐蝕機理，討論了酸氣放空系統水封罐的選材和防腐蝕措施等，并提出了解決方案。

關鍵詞：酸氣；硫化氫；水封罐；復合板

1.概述

火炬設施是石油石化行業重要的安全環保設施，水封罐是火炬放空系統防回火的重要設備之一，對火炬系統的安全運行提供重要保障。水封罐的主要作用是：（1）防止火炬筒體回火，保護上游管道和裝置安全；（2）存在火炬氣回收裝置時，作為壓力控制設備，保持火炬排放系統的壓力。系統放空時，放空氣體先進入火炬分液罐，然后進入火炬水封罐，再去火炬進行放空處理。

2.現場情況

2.1 設備參數

（1）氣質組分

（2）設計條件

操作壓力：0.03—0.1MPa；設計壓力：1.0MPa；

操作溫度：20℃—90℃；設計溫度：120℃；

正常液位高度：1800mm；PH值：6—7；容積：133m3。

2.2 現場情況

天然氣凈化廠低壓火炬水封罐于2010年投入生產運行，低壓放空氣含有H2S、CO2，另有固體顆粒雜質存在。凈化廠低壓火炬水封罐設計壓力1.0MPa，尺寸為Φ3640×13640×20 mm，材質為20R。

2017年11月現場進行檢測發現壁厚減薄嚴重，壁厚為設計壁厚的70%的部位占60%，在設備進口底部壁厚為設計壁厚的50%，已經發生腐蝕穿孔，滲漏情況嚴重，不能安全運行。

3. 腐蝕原因分析

3.1主要腐蝕形態

低壓放空氣含有H2S、CO2，另有固體顆粒雜質存在，主要腐蝕機理如下：

（1）靜態H2S-CO2液相腐蝕

硫化鐵腐蝕產物附著于碳鋼表面，作為陰極與鋼基構成一個腐蝕電池，繼續對碳鋼的腐蝕。在不同的H2S濃度、PH值、溫度條件下，生成的腐蝕產物FexSy膜結構性質也不同，將導致管材腐蝕的減緩或加速。

（2）沉積物的垢下腐蝕

垢下腐蝕是一種特殊的局部腐蝕形態，其機理是由于受設備幾何形狀和腐蝕產物、沉積物的影響，使得介質在金屬表面的流動和電介質的擴散受到限制，造成被阻塞的空腔內介質化學成分與整體介質有很大差別，空腔內介質pH值發生較大變化，形成阻塞電池腐蝕，尖端的電極電位下降，造成電池腐蝕。按其腐蝕原理可分為酸性腐蝕和堿性腐蝕兩種。結垢后使得液相中的腐蝕成分在垢下金屬表面富集并產生化學腐蝕反映，腐蝕的結果是局部金屬被損傷減薄，導致管線穿孔泄露。

（3）沖刷磨蝕

水封罐下半部長期處于浸沒狀態，當低壓放空氣通過進氣口進入水封罐時，氣體從進氣管底部流出時氣流方向將發生改變，局部阻力增大，使得氣流形成湍流，并帶動罐內液體發生強烈的湍動。此時，氣流與液體共同作用，造成氣液相沖刷腐蝕，由于湍流使罐內液體的攪動，下半部罐壁與液體接觸更為頻繁，內表面不斷被高速氣液相交替沖擊，不斷的沖刷掉已形成的保護膜或者腐蝕產物，交替往復，使得水封罐浸沒部分的局部腐蝕加重。

3.2腐蝕穿孔原因分析

凈化廠低壓放空水封罐材質為碳鋼（20R），結合水封罐所處工況介質條件和影響腐蝕的各種因素，腐蝕穿孔的原因有：

（1）形成濕H2S腐蝕環境，發生電化學腐蝕，從圖1可見浸沒區域越靠近底部區域腐蝕越為嚴重；

（2）放空呈現間歇性，在放空過程中因瞬時的壓力變化會導致液相中H2S、CO2濃度升高，腐蝕加??；

（3）放空氣中含有的固體顆粒形成垢下腐蝕環境，氣流對形成腐蝕的部位進行反復的沖刷侵蝕，加劇了腐蝕的進展，從圖2中可見靠近進氣口區域腐蝕最為嚴重。

4.設備選材

4.1選材方案

根據對水封罐腐蝕機理的分析，水封罐的腐蝕主要以電化學腐蝕為主，伴隨著垢下腐蝕。根據表1中的氣體組分，經計算硫化氫分壓為0.065MPa，二氧化碳分壓為0.035MPa，根據SY/T 0599的規定屬于硫化氫腐蝕處于SSC2區，另外二氧化碳腐蝕處于中等腐蝕狀態。而且大量的實驗和實際工程表明濕H2S和CO2對碳鋼和低合金鋼有明顯的腐蝕狀況，為了防止介質的電化學腐蝕，通常采取以下措施：

（1）設備采用碳鋼材料，并進行設備內防腐，將介質與金屬隔開，這是防止介質內腐蝕腐蝕的普遍做法。

（2）設備采用耐腐蝕高合金材料。根據SY/T 0599中奧氏體不銹鋼的適用范圍：“若氯化物濃度低于50mg/L，允許的硫化氫分壓最大值為0.35MPa”，所以本工程可以選用奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼是在碳鋼的基礎上增加了Cr、Ni和Mo等合金元素，提高材料的耐腐蝕性能，典型牌號為S31603。目前為了降低不銹鋼材料的成本，碳鋼+不銹鋼復合板材料的使用較為普遍和成熟，復合板材料由基層（碳鋼）和覆層（不銹鋼）復合而成，碳鋼滿足強度要求，不銹鋼滿足耐腐蝕性能。

針對本次水封罐的操作工況，選材設計考慮以下兩種方案：

方案一：碳鋼Q245R+奧氏體不銹鋼S31603復合板；

方案二：碳鋼Q245R+防腐涂層。

4.2方案對比

（1）耐腐蝕性對比

方案一：碳鋼Q245R復合板+奧氏體不銹鋼S31603

該方案采用的復合板材料是在碳鋼的基礎上復合一層3mm的不銹鋼材料，與腐蝕介質直接接觸的是不銹鋼材料，不銹鋼具有優良的耐腐蝕性能。

方案二：碳鋼Q245R+防腐涂層

該方案采用的碳鋼材料本身不具備耐電化學腐蝕的能力，需要對設備內部進行防腐，進而隔離碳鋼和介質，達到防腐的目的。對于濕H2S和CO2的腐蝕工況，需要對涂料進行篩選，涂料本身的性能、施工方法和施工質量對最終的防腐效果影響很大，一方面是涂料普遍都有老化的問題，另一方面內防腐處理工藝復雜，表面一旦有缺陷，極易導致更嚴重的局部腐蝕。所以內防腐的人為不確定因素較大，耐腐蝕性能不確定性因素多。已建的水封罐采用的20R碳鋼材料，在使用7年的時間后發生了大面積的腐蝕和穿孔，足以說明碳鋼材料耐電化學耐腐蝕的性能較差。

（2）安全性對比

方案一：碳鋼Q245R復合板+奧氏體不銹鋼S31603

該方案采用的復合板材料，不銹鋼材料直接與介質接觸，具有較強的耐腐蝕性能，延長使用壽命，安全性較高。

方案二：碳鋼Q245R+內防腐涂層

該方案對內防腐涂層的要求較高，一旦內涂層老化或者局部損壞，將加快碳鋼材料的局部腐蝕，發生穿孔，存在安全隱患，影響正常生產。

5.結束語

通過對凈化廠酸氣放空系統水封罐腐蝕問題原因的分析和選材方案對比，進而提出解決問題的方法，重點從設備選材入手，無論是從耐腐蝕還是經濟性的角度考慮，該方案都占有一定優勢。目前碳鋼材質的水封罐運行7年就已經發生嚴重腐蝕，甚存在安全隱患，嚴重影響生產安全。所以，考慮“碳鋼+耐蝕合金復合板”的選材方案是較為合理的。

作者簡介：高世國，男，工程師，2010年畢業于中國石油大學（華東）過程裝備與控制工程專業。現在中石化石油工程設計有限公司主要從事加熱爐及壓力容器的設計工作。

（作者單位：中石化石油工程設計有限公司）