汽柴油加氫精制裝置的腐蝕及防護建議*

(中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000)

塔河重質原油密度大、黏度高，瀝青質、硫和重金屬含量高。為了有效地利用這一原油資源，2004年某煉化企業新建1.5 Mt/a塔河油加工裝置。采用常壓蒸餾—延遲焦化工藝技術路線。1.0 Mt/a 汽柴油加氫精制是這一配套裝置中的重要組成部分，其主要目的是加工焦化汽油、柴油，使其達到進入下一工序或出廠指標要求。塔河原油性質相對惡劣，經一次加工后的加氫混合原料油(焦化汽、柴油)硫、氯和金屬含量相對較高，給后續加工帶來了難度。在運行過程中，屢次發生加氫精制裝置高壓鎖緊環換熱器腐蝕泄漏，嚴重影響了裝置的安全生產。

1 加氫精制裝置混合原料油性質

1.0 Mt/a汽柴油加氫精制裝置以焦化汽油、焦化柴油和直餾柴油為原料，汽油、柴油比為1∶3。混合后原料油干點高，硫含量、氯離子含量相對較高。加氫混合原料油分析結果見表1。在一次加工過程中，高溫只能蒸餾出部分簡單的硫化合物，未經脫除的硫化物隨汽、柴油進入下游加氫精制裝置。原油中無機氯在電脫鹽單元可以脫除，有機氯隨原油進入常壓裝置。原油中的有機氯主要是原油開采過程中加入含氯油田化學助劑[1]，如在含蠟或瀝青質原油的開采中為防止油井中的蠟、瀝青質堵塞油井，使用三氯乙烷等氯代烷烴清蠟劑清洗油井。另外，處于第三階段采油期的油井會采取一系列的化學手段進行地下壓裂、酸化、調剖、堵水來提高產量。此過程中常用到帶氯的化學藥劑有甲基氯硅烷堵水劑、鹽酸-氟化胺深度酸化劑等。這些有機氯化物在電脫鹽操作條件下很難水解，進入常壓或焦化分餾塔操作條件下進行熱分解，一部分進入汽、柴油組分，一部分進入焦炭塔生焦。加氫混合原料油中的氯離子含量與煉化系統內同類裝置相比偏高。由表1可以看出,加氫原料油中硫和氯等帶有腐蝕性的非金屬離子物質較高，超過裝置設防值(總硫質量分數0.8%，氯質量分數小于2 μg/g)，給設備腐蝕與長周期運行帶來嚴峻的考驗。

2 加工過程中設備的腐蝕

加氫精制裝置反應系統在295～400 ℃及5.0～7.0 MPa操作條件下運行，物料中含有H2及H2S等介質，在高溫臨氫系統(如反應爐、反應器及反應產物換熱器等)的不同部位上存在高溫H2+H2S的腐蝕、氫損傷、HCl與H2S協同腐蝕等腐蝕形態。在低于150 ℃部位的設備(如高壓分離器、反應流出物冷凝系統和汽提塔等)存在氫損傷(主要為氫鼓泡及氫脆)、H2S+H2O造成的硫化物應力腐蝕開裂、奧氏體不銹鋼冷換設備的氯化物應力腐蝕開裂、冷換設備硫氫化銨及氯化銨的腐蝕等形態。

表1 加氫混合原料油分析

2.1 高溫H2+H2S的腐蝕

加氫反應過程中產生的H2S，存在于反應流出物中，經高壓分離器分離，大部分進入循環氫系統。裝置循環氫中H2S體積分數為1.3%～2.1%。在加氫反應器(R-2101)、反應產物換熱器(E-2101A/B)及相應的管線中存在高溫H2+H2S的腐蝕。

H2S體積分數在1%以下時，隨著H2S濃度的增加，腐蝕速率急劇增大，但在高溫低濃度時(體積分數1%以下)，腐蝕減緩。反應見式(1)。

(1)

反應過程溫度較高，H2S與反應器器壁直接接觸，會在器壁產生腐蝕，生成FeS。在沒有其他因素影響的情況下，FeS附著在反應器器壁上形成防護膜。反應環境中有小分子的氫，氫原子不斷進入FeS防護膜下，造成防護膜疏松，使H2S能夠進一步擴散滲透，腐蝕加劇。因此，H2和H2S共存會加快腐蝕速率。且隨著H2S濃度的增加，腐蝕速率急劇增大。硫化氫的存在，不利于氫原子再結合成氫分子，溶解在鋼材中的氫原子濃度增加，對氫腐蝕起到促進作用。H2S腐蝕速率隨著時間的增長而逐漸下降，裝置開工15～20 d隨著FeS保護膜的形成，腐蝕速率會減小。有關資料顯示超過500 h的腐蝕數據比短時間的腐蝕數據小2～10倍[2]。

2.2 氫損傷

加氫精制反應器采用熱壁式反應器。該反應器空間利用率高，可以避免由于內部保溫層損壞導致的器壁超溫現象。熱壁式反應器的使用是器壁直接暴露于氫環境中，雖然反應器內壁有低碳不銹鋼堆焊層，但氫仍能在高溫高壓條件下滲過堆焊層，造成器壁腐蝕。氫分子本身不能擴散到金屬內部，當溫度高于230 ℃時[3]，氫分解后會以原子形式擴散至鋼的晶格內部，與鋼中的碳化鐵反應生成甲烷，反應見式(2)。生成的甲烷有不斷向晶格外擴散的趨勢，但又難于擴散出去。因此會在金屬內部積累并產生應力，使晶格結構變形，鋼材出現網狀裂紋、鼓泡，強度和韌性下降，造成器壁永久性損傷。這種永久性損傷是非可逆腐蝕，且隨著溫度和壓力的升高會越來越嚴重。

(2)

氫鼓泡和氫脆也是容易發生的腐蝕現象。這兩種氫損傷主要集中在低于150 ℃部位。如高壓分離器V-2102，反應流出物冷卻系統(E-2101A/B，E-2102A/B，A2101A-D和E-2103)等部位。氫鼓泡是氫原子占有金屬的某些孔穴，結合成分子，氫分子不能擴散，在孔穴內積累造成內壓，導致金屬表面鼓泡，甚至破裂。氫脆是氫原子進入金屬內部，使晶格產生變形，降低金屬韌性和延性。環境中有H2S存在容易發生氫脆。2.25Cr-0.5Mo以上的鉻鉬鋼一般不會內部脫碳，但可出現表面脫碳。臨氫系統設備材質、腐蝕介質和運行參數見表2。

由表2可以看出，在加氫反應器和反應流出物第一換熱器均很少產生內部脫碳，從操作溫度來看產生內部脫碳的機率也較小。反應流出物第二換熱器(E2102A/B)、高壓空冷器和高壓分離器就有產生氫鼓泡的可能性。一般情況下，內部脫碳(氫腐蝕)不是突然發生的，要經過一段孕育期，即處在形成甲烷氣泡生長速度緩慢期，如果沒有氣泡串通，力學性能就不會發生明顯改變。一般氣泡串通會產生晶間裂紋，這些裂紋串通就會形成斷裂通道。

表2 臨氫系統設備材質

2.3 連多硫酸應力腐蝕開裂

正常生產過程中，油品中存在H2S，直接與金屬鐵發生反應，生成FeS，反應見式(3)和式(4)。生成的FeS 會在金屬表面形成一層致密的保護膜，阻止H2S進一步腐蝕設備。

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(3)

(4)

停工時，一旦空氣進入設備管道,空氣中含有的水分和氧氣與設備及管道表面原有的FeS 保護膜發生反應，生成連多硫酸，反應見式(5)至式(10)。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

連多硫酸的生成，形成了腐蝕環境，隨著濃度增加，溶液pH值下降，腐蝕加重。金屬表面出現點蝕，隨著腐蝕加重，最終導致不銹鋼應力腐蝕開裂。

2.4 氯腐蝕

2.4.1 氯化物應力腐蝕開裂

反應過程有機氯化物會轉化生成氯化氫，在反應流出物低溫冷凝部位會出現氯化氫的冷凝液，停工時會擴散到其他部位，造成奧氏體不銹鋼(尤其是換熱器管束)氯化物應力腐蝕開裂。在帶有活性的陰離子(Cl-)的油氣介質通過時，Cl-首先被吸附在金屬表面某點上，對保護膜產生破壞作用。在被破壞的局部形成陽極電偶，未被破壞的部分形成陰極，從而形成鈍化—活化腐蝕電池。由于陽極比陰極面積小得多，陽極電流密度很大，很快就腐蝕成小孔。與此同時，氯離子隨著腐蝕電流的流動向小孔遷移，使小孔形成金屬氯化物(FeCl2)的高濃度溶液。這種溶液可使小孔表面繼續保持著活化狀態，隨著小孔腐蝕深度不斷增加，最終造成設備腐蝕泄漏。在制造、安裝及工藝介質的作用下，工藝管線和設備會存在一定的殘余應力。金屬在應力和腐蝕介質的共同作用下，原電池的陽極被腐蝕溶解成溝形裂紋，當裂紋向深處發展時，應力就集中到裂紋的尖端，使附近區域發生塑性變形，從而又加速了陽極的溶解，隨后裂紋就會以尖刀形式不斷向前延伸，最終導致管線破裂[4]。

2.4.2 氯化銨腐蝕

反應流出物中含一定量的H2S，NH3和HCl等腐蝕介質。2016年大修對反應器熱偶處結晶物進行采樣分析，確定其為氯化銨鹽。反應流出物換熱器管程出口溫度150 ℃，低于NH4Cl的結晶溫度(約140～160 ℃，結晶溫度隨著系統壓力的升高而升高)。在含有H2S，NH3和HCl腐蝕介質的高壓設備中，很容易形成腐蝕沉積物，銨鹽形成反應式見(11)和(12)。系統內H2S濃度越高，其腐蝕性就越強。NH4HS和NH4Cl的沉淀物可使換熱器管束堵塞，使臨氫系統壓力降快速上升，會引起嚴重垢下腐蝕。

(11)

(12)

由于該系統溫度相對較低，有液態水存在，NH4HS和NH4Cl會水解，會形成H2S-NH3-HCl-H2O類型的腐蝕環境。H2S和HCl相互促進加速腐蝕，H2S的存在會加快整個腐蝕反應過程的進行。由于管束內流體的腐蝕性較強(表現為H2S，NH3，HCl含量較高)，這種強腐蝕性流體與管束內表面發生相對運動時，在出現渦流或流體急劇改變方向的部位(如鎖緊環換熱器的U型管束拐彎處)，流體對金屬表面生成的腐蝕產物產生沖刷破壞作用，又在新裸露的金屬表面繼續發生電化學反應，從而加速管束內部腐蝕，其特點是金屬以腐蝕產物的形式從金屬表面脫落而減薄[5]。

3 結論及建議

加氫混合原料中硫、氯含量高，在H2存在的條件下，反應會生成硫化氫、氯化氫，產生高溫H2+H2S腐蝕、氫損傷、連多硫酸腐蝕和氯腐蝕等。

3.1 控制原料中的雜質含量

開采過程中使用環境友好的油田開采助劑，減少含氯助劑的使用，為下游煉油廠加工提供有利的保障；煉油廠通過優化電脫鹽操作參數，篩選優質的破乳劑，將脫后鹽質量濃度嚴格控制在5 mg/L以下；控制好常壓塔、焦化分餾塔的操作，焦化汽、柴油餾程不能過高，以減少其中的硫、氯含量；控制好塔頂分液罐界位，減少直餾汽油、焦化汽油出裝置水含量；加強焦化汽、柴油罐區的脫水，確保進裝置混合原料油中水的質量分數低于300 μg/g；加強監控連續重整氫氣補充氫脫氯罐的脫除效果，降低外送氫氣中的氯含量。

3.2 加強裝置操作控制

將高低分液位調整至60%以上，延長油品罐內停留時間；嚴格控制低分油的水界位在20%～40%，避免低分油帶水對反應流出物第二換熱器(E-2102)殼程造成腐蝕。投用低壓分離器出口的聚結器，確保低分油中水的質量分數低于250 μg/g。在E2102管程進出口除鹽水中注入緩蝕劑BD-SR1275，能減緩銨鹽在E2102管束內的腐蝕，延長設備運行周期。控制好循環氫脫硫操作，將循環氫中H2S質量分數控制在0.5%～0.8%，既能保證加氫催化劑的良好運行，又能減緩硫化氫對設備的腐蝕。

3.3 設備改造

對低分油罐進行改造，適當提高低分油抽出口位置，以減少低分油帶水。