高壓冷凝液罐鍋爐水補水管線泄漏原因分析與應對

鄭長山

(中國石化齊魯分公司第二化肥廠，山東淄博 255400)

中國石化齊魯分公司第二化肥廠煤氣化裝置采用GE公司水煤漿加壓氣化技術，氣化爐2開1備，設計壓力為6.5 MPa，單爐設計負荷為43.7 m3/h。該煤氣化裝置自2008年原始開車以來，多次出現高壓冷凝液罐鍋爐水補水管線泄漏問題，嚴重威脅了煤氣化裝置的長周期安全運行。

1 高壓冷凝液流程

高壓冷凝液罐設計壓力為7.2 MPa，設計溫度為231 ℃，實際操作壓力為4.3 MPa，溫度為170 ℃。高壓冷凝液罐的主要作用是收集凈化工段變換系統分離出來的高壓冷凝液，然后通過機泵加壓用于洗滌塔塔盤水補水和氣化爐原料氣出口噴淋水。

高壓冷凝液罐設有中壓鍋爐水補水管線，當高壓冷凝液罐液位偏低時，可補充鍋爐水；高壓冷凝液罐內壓力通過2個儀表調節閥自動控制，壓力高時放空，壓力低時充氮氣。一旦高壓冷凝液中斷，將嚴重影響粗合成氣的洗滌效果;如果合成氣帶灰嚴重，會造成凈化變換爐前的換熱器結垢堵塞，甚至還會造成變換系統催化劑堵塞或者失效[1]。

2 鍋爐水補水管線泄漏概況

2.1 大小頭部位泄漏

2011年4月26日，高壓冷凝液罐中壓鍋爐水管線大小頭處出現泄漏，進行打卡具注膠后，基本消漏。但是，在運行17 d后，卡具受壓變形，再次泄漏，被迫加臨時管線，切除高壓冷凝液罐，在線更換大小頭。

2013年11月26日，中壓鍋爐水管線大小頭處再次發生泄漏，打卡具注膠。2014年10月，泄漏量增大，因此進行在線切除處理。處理期間，檢查發現除了大小頭腐蝕泄漏外，在彎頭及水平橫管的氣液交界面處也有腐蝕問題，管內下側有左右對稱的2道深溝(見圖1)。

圖1 鍋爐水管線大小頭前水平橫管

2.2 鍋爐水閥門泄漏

2018年4月21日，高壓冷凝液罐頂部鍋爐水管線切斷閥處有蒸汽冒出，拆開保溫后發現閥門本體有沙眼。對泄漏點周圍部位測厚，厚度為7 mm左右(西側)，其余部位厚度為22 mm左右(東側)，因此將高壓冷凝液罐切除，在線更換泄漏的閥門。

檢查泄漏閥門，發現上側閥體有不均勻腐蝕現象，閥座定位環腐蝕消失，閥座與定位環之間的柱簧已經脫落，閥門下側密封面內側腐蝕殆盡(見圖2)。

3 高壓冷凝液罐工藝切除方案

考慮到高壓灰水壓力與高壓冷凝液泵出口壓力相當，并且高壓灰水泵負荷有余量，因此可臨時配管將高壓灰水引至高壓冷凝液泵出口總管用作洗滌塔塔盤水和噴淋水。凈化工段的高壓冷凝液改至汽提塔系統，隨低壓冷凝液送至氣化工段脫氧槽。

臨時配管流程見圖3。

圖3 臨時配管流程圖

高壓灰水通過鎖斗B(停運系列)充壓管線(DN80)單向閥連接臨時管線至洗滌塔B塔盤補水總閥后的單向閥，進入高壓冷凝液泵出口總管，替代高壓冷凝液。

4 處理措施

4.1 更換泄漏的大小頭

2011年，檢查更換下來的泄漏管件發現，泄漏位置在DN80管線與DN80×150 mm大小頭連接的焊縫處，而在焊縫處的管線管件流通內孔已變為不規則形(非圓形)，2處漏點基本對稱(南、北)。分析管線在原始施工時，采用的DN80管線和DN80×150 mm大小頭壁厚不等，大小頭壁厚遠遠大于管線壁厚(大于3 mm)。焊接后，在內部流通通道中，焊縫處存在1個向內的凸臺，流體(中壓鍋爐水)流過此處遇到凸臺后，形成渦流，將此處沖刷減薄，造成泄漏。

初步分析泄漏原因為焊接質量問題，因此只對鍋爐水補水管線的大小頭及部分管線進行同材質更換(見圖4)。

圖4 鍋爐水補水管線大小頭更換

4.2 更換泄漏的大小頭并增加根部切斷閥

2014年，處理第2次泄漏時，考慮到再次泄漏的可能性，除了更換泄漏的大小頭外，在罐頂增加1道切斷閥以便日后進行切除處理，閥門材質選擇與管線材質相同的20#鋼(見圖5)。

圖5 更換大小頭并增加切斷閥

4.3 鍋爐水補水管線材質升級

2014年檢查高壓冷凝液罐鍋爐水補水管線腐蝕泄漏的部位為大小頭，且彎頭及水平橫管的氣液交界面處腐蝕出左右對稱的2道深溝，分析存在酸性環境下的化學腐蝕。因此，2017年裝置大檢修對該段管線進行材質升級，對單向閥后至球閥間的所有管線進行更換，采用304L不銹鋼。材質選用的依據是高壓冷凝液罐體采取不銹鋼內襯，且在二次壓檢過程中，罐體都沒有發現有腐蝕現象。

4.4 根部切斷閥材質升級

高壓冷凝液鍋爐水補水管線及大小頭材質改為304L不銹鋼后，2018年，材質未升級的根部切斷閥出現泄漏，隨即將該閥門更換為不銹鋼閥。

5 腐蝕泄漏原因分析

5.1 酸性環境

高壓冷凝液罐中的介質主要為凈化冷凝液，其中含有H2S、CO2等酸性氣體，根據裝置物料平衡圖中的數據顯示，H2S質量分數為0.03%，CO2質量分數為0.54%。凈化工段來的介質壓力為5.9 MPa，而高壓冷凝液罐內壓力為4.3 MPa(設計工作壓力5.4 MPa)，溫度基本保持在170 ℃，所以冷凝液進高壓冷凝液罐后會閃蒸出更多的酸性氣體。考慮到持續進料的富集等因素，高壓冷凝液罐內實際氣相中的酸性氣含量更高。

雖然碳酸是弱酸，但是在高溫條件下，溶解了CO2的冷凝液pH會大幅下降，腐蝕性增強[2]。酸性水腐蝕通常表現為均勻腐蝕，在沖刷和湍流部位會造成嚴重的局部減薄[3]。

5.2 酸性化學腐蝕

由于鍋爐水補水閥門內漏，持續流入高壓冷凝液罐內的鍋爐水溶解酸性氣體，且鍋爐水流量小，未填滿管道，所以只對閥門的西側與水接觸的面積造成了腐蝕，并且泄漏點并不在閥門正西側(水流從正西側流入)而是在西偏南側(見圖2)，這與2014年出現的水平橫管氣液交界面腐蝕現象相同。

閥門下部環形密封槽內側腐蝕凹陷，閥體內的閥座定位環(碳鋼材質)腐蝕消失，都與酸性氣體的腐蝕有關。由于閥門下部密封面間隙有冷凝液體存在，且該部位液體不流動，所以閥門下部密封面內側的腐蝕為整圈腐蝕，且腐蝕量較上部大。

5.3 酸性環境下的電化學腐蝕

切斷閥的閥體材質為20#鋼，鍛造碳鋼，閥門內的閥球與閥座都為不銹鋼材質，且與罐體連接的法蘭為不銹鋼堆焊層，在酸性環境下，2種金屬形成原電池加速了腐蝕速度。從下線檢查看，閥內不銹鋼材質的閥球、閥座及不銹鋼墊片都完好，因此在電化學腐蝕的加速下閥門下部和閥門內定位環的腐蝕較閥門上部嚴重[4]。

6 結語

通過多次改造和分析，確認高壓冷凝液罐鍋爐水補水管線頻繁泄漏的主要原因是酸性環境下的化學腐蝕，對相應管線、大小頭、閥門等材質進行升級，經過近3 a的運行考驗，未再出現管線泄漏，徹底消除了酸性腐蝕泄漏的隱患。

高壓冷凝液工藝流程是先降壓送至高壓冷凝液罐內，再通過機泵提壓用于洗滌塔塔盤補水。目前，新的水煤漿氣化工藝已經不設置高壓冷凝液罐，如果取消高壓冷凝液罐，凈化工段高壓冷凝液直接通過機泵提壓用于洗滌塔塔盤補水，不僅可以降低泵的壓頭，達到節電的效果，而且可以節約氮氣。另外，取消高壓冷凝液罐還能消除H2S、CO等有毒有害氣體直排大氣的環保隱患。