酸性水汽提裝置氨精餾塔底重沸器管束失效分析

郭 雷

（中國石油化工股份有限公司天津分公司煉油部，天津 300270）

0 引言

某酸性水汽提裝置氨精制系統精餾塔底重沸器E-3503管束發生泄漏，造成裝置局部停工緊急搶修，檢修中發現管束腐蝕現象比較嚴重，緊急采購新管束進行更換。該管束2012年大修更換，之后僅1年內多次發生泄漏，堵管20多根，大大影響了裝置的安全長周期運行。

該酸性水汽提裝置采用單塔加壓側線抽出汽提工藝，包括汽提和氨精制部分，其中精餾塔屬于氨精制部分，于2002年改造完成投用。精餾是一個傳熱傳質過程，氨水精餾制液氨是根據氨水中NH3和H2O、H2S等雜質的沸點相差較大，利用汽液兩相多次逆流平衡接觸，進行傳熱傳質而進行分離，在加壓條件下，在塔頂得到高純度的氨氣，冷凝得液氨。重沸器就是精餾塔底的熱源，該重沸器管束材質09Cr2AlMoRE，是一種較好的耐H2S腐蝕用材，管程介質為蒸汽，進口200℃，出口180℃，殼程為氨水，進口149℃，出口164℃，壓力殼程1.4MPa，管程1.0MPa，氨精餾系統流程，如圖1所示。

圖1 汽提氨精餾系統流程

2 檢驗與分析

2.1 宏觀檢驗

檢查發現舊管束上部外表面腐蝕較重，位于上層管束的重沸管外壁上部（12點鐘方向）積垢嚴重，將垢層清除后，可見垢下存在明顯的腐蝕坑，尤其在折流板附近管束有多處泄漏孔（如圖2所示）。中、下部管束腐蝕情況較輕微，無明顯積垢，僅有部分麻點腐蝕坑。管板、管口、管箱、隔板、封頭、筒體等情況良好，未見明顯腐蝕。

圖2 管束上層管束外壁的積垢及垢下蝕坑

取部分腐蝕嚴重的管束，逐根剖開，編為1～8#，取樣部位（如圖3所示），發現管束外壁打磨去除污垢后仍均布滿黑色腐蝕產物。2#、5#、6#的腐蝕較嚴重已經穿孔，3#腐蝕嚴重但未穿孔，其它腐蝕輕微（如圖4所示）。觀察泄漏點穿孔處有從外向內腐蝕傾向。

圖3 管束取樣位置圖

圖4 腐蝕嚴重的2#、5#、6#管束

2.2 化學成份分析

對管束取樣中的6根進行了化學成分分析，RE（稀土）元素的分析只選取了3#及7#樣。由于該材質沒有相關標準提供，故檢測結果平均值與制造方的質量證明書的測量值進行比較，無異常，如表1所示。

2.4 工藝分析

氨精餾塔底重沸器E3503的殼程介質來自氨精餾塔底的氨水，與管程的蒸汽取熱后重新進入氨精餾塔作為氨精餾熱源。工藝控制塔底溫度124～156℃，一般控制溫度保持在140℃左右，溫度調節是通過管程蒸汽流控閥。氨精餾塔底的氨水中含有NH3、H2S、水等，H2S與氨水會生成硫氫化銨（NH4HS），是一種較強的腐蝕劑，API571標準中介紹硫氫化銨的濃度低于2%時，腐蝕不明顯，但會隨著濃度上升而加劇。同時，當溫度低于其結晶溫度121℃時，硫氫化銨會從液相中析出而產生結垢。雖然實際操作控制溫度遠遠大于其結晶溫度，但生產操作的變化以及重沸器局部流速和局部溫度的波動，還是會有結晶出現在頂部，并長時間累積在頂部。同時硫氫化銨垢鹽會破壞管束表面的FeS保護膜，從而造成垢下局部濃縮而加劇腐蝕。

3 失效原因分析

管束材質的化學成分分析結果未見異常，材質選用也沒有問題。09Cr2AlMoRE 是換熱器專用鋼，在S、H2S及環烷酸介質中具有較好的耐腐蝕性能。該鋼采用低的C成分，一定量的Cr、Mo、Al及RE元素來進行合金化，使鋼材最終使用狀態組織為索氏體組織。從投用開始該材質管束基本上能使用兩個大修周期，目前沒有設計導則明確適合此部位的材質，據了解選用304不銹鋼材質，使用時間最多也是2個大修周期。

從宏觀檢查可以看到，送檢管束外壁均布滿黑色腐蝕產物，上層管束積垢嚴重，并且垢層下存在明顯的腐蝕坑，分析是重沸器殼程上部空間出現了雜質的沉積結垢，并發生了腐蝕。結垢應是NH4HS在重沸器上部發生了析出，同時伴有其他雜質性元素。腐蝕是殼程中的介質H2S或生成的NH4HS導致，從能譜檢測發現蝕坑內外均含有一定量的S元素可以驗證這一點。塔底部的氨液循環使用，使得NH4HS鹽不斷積聚，導致整個系統腐蝕加劇[1]。在垢下發生的局部腐蝕主要是介質中的腐蝕物質NH4HS腐蝕和H2S的腐蝕環境，其腐蝕會在局部產生并向縱深發展，直到穿孔。

從設備結構上看，該重沸器不具有氣相蒸發空間，氨水經蒸汽加熱后會在重沸器上部形成部分氣態，表現為氣液兩相混合狀態，重沸器上部管束長期處于氣液相混合狀態，氣泡對上部管束沖擊形成很多點腐蝕，尤其在折流板附近發生渦流，氣蝕加劇，且氣相中腐蝕性介質腐蝕管束外表面，導致泄漏。如果上部有一定的氣相蒸發空間，會大大減少對管束的沖擊腐蝕。

4 結語

綜合上述分析，由于重沸器殼程介質中含有NH3、H2S、水等組份,其在上部生成NH4HS鹽，本身具有較強的腐蝕性。而且由于重沸器沒有氣相空間，氣液兩相混合狀態對管束表面有沖擊，存在沖刷腐蝕；其次，在一定條件下，NH4HS鹽會在氣液空間中大量析出，沉積在管束表面，造成管束表面結垢，NH4HS在垢下會發生濃縮，導致局部的腐蝕加劇；同時H2S、水蒸汽等也會在垢下具有一定腐蝕作用。基于上述多方面因素，隨著時間的推移，垢下的蝕坑逐漸加深加大，最終導致重沸器管束發生穿孔泄漏。

5 建議

（1）近期整改建議：更換新管束，管束型式稍改進，取消折流板中部擋板，增加氣相流動空間，減少氣蝕的發生；

（2）遠期整改建議：需要考慮重新設計重沸器，優化結構，增大氣相的蒸發空間，同時找到更合適的材質；

（3）工藝操作允許的情況下，對重沸器殼程介質注軟化水，稀釋NH4HS鹽濃度。