腐蝕完整性管理在芳烴抽提裝置中的應用

夏康哲，垢野，張顥騫，李曉鵬，蘇靖智

（沈陽鼓風機集團測控技術有限公司，遼寧 沈陽 110869）

采用環丁砜萃取工藝提取輕芳烴是工業上生產苯、甲苯以及混合二甲苯的常用方法。環丁砜對芳烴組分的選擇性較高，是一種良好的有機溶劑，但其劣化腐蝕問題卻不容忽視，環丁砜性能的穩定性，將會直接影響芳烴抽提裝置的運行安全，更會對芳烴抽提有效性造成影響[1]。腐蝕完整性管理是指對腐蝕管理的完整性進行審核、定期監測并在投產后評估效果的整個過程。運用完整性管理對裝置進行評估，可以有效的預防和監控腐蝕情況的發生。

1 芳烴抽提工藝

工業上常用的芳烴抽提工藝分為兩類，即液液抽提技術和抽提蒸餾技術。液液抽提技術的原理是利用溶劑對芳烴和非芳烴的溶解度不同而改變其在兩相中的分配，從而實現將芳烴分離的一種工藝。而抽提蒸餾技術與液液抽提技術不同，它是通過加入溶劑改變組分間的相對揮發度，從而在抽提精餾塔內實現芳烴和非芳烴的分離［2］。在近幾年的抽提裝置中，抽提蒸餾裝置的應用明顯要多于液液抽提裝置［3］。目前國內常用的抽提蒸餾工藝有sulfolane工藝、GT-BTX 工藝以及SED 工藝。盡管每種工藝在流程上都不盡相同，但是基本原理都是采用環丁砜作為溶劑對芳烴組分進行萃取，其腐蝕機理及部分大致相同，本文以sulfolane 工藝為例進行闡述。

環丁砜作為溶劑在抽提蒸餾塔內將芳烴組分萃取后，由塔底輸送至溶劑回收塔，塔頂得到非芳烴組分，即抽余油。在溶劑回收塔中利用芳烴和環丁砜的沸點差異將兩者分離，塔頂得到目的產品芳烴組分，塔底采出的大部分環丁砜被回收熱量后作為循環溶劑返回至抽提蒸餾塔，小部分通過溶劑再生塔去除溶劑降解產生的雜質后返回溶劑回收塔。純凈的環丁砜凝點較高，因此在運輸及使用過程中通常添加一定量水用于降低其凝點。同時水在萃取過程中可以有效的提高環丁砜的選擇性，因此在裝置運行過程中需間斷注水。由于環丁砜在高溫下會產生降解，因此溶劑回收塔通常在負壓下操作，以便塔內組分在相對較低的溫度下可以更好的分離。

2 腐蝕完整性管理

腐蝕的完整性管理是指對腐蝕管理進行審核、檢測及效果評估的完整性過程。具體來說就是依據裝置存在的不同腐蝕機理繪制出腐蝕回路圖，通過基于風險的檢驗（RBI）提出完整性操作窗口（IOW），并對運行數據進行監測并不斷反饋回腐蝕控制方案，整個過程形成閉環。近些年來，完整性管理正逐步成為各大石化企業進行設備單元安全管理的重要方法［4］。通過前瞻性、科學化的腐蝕管理，可以降低設備的腐蝕問題發生率，延長維修周期，提高工作效率，降低腐蝕成本［5］。

2.1 腐蝕回路圖

依據裝置介質、工況及腐蝕機理的不同繪制出裝置的腐蝕回路圖。腐蝕回路圖中除了包含腐蝕回路的劃分及腐蝕機理外，還將裝置工藝參數、腐蝕監測點、重點腐蝕部位的完整性操作窗口等腐蝕相關的要素展示其中，便于管理人員和操作人員查閱。當發生腐蝕問題時，可在圖中查到對應位置的腐蝕機理，同時舉一反三，對同一腐蝕回路相似位置的其他設備，及時采取有效的檢測，做到防患于未然。

2.2 基于風險的檢驗（RBI）

RBI 是在追求系統安全性與經濟性統一的理念基礎上建立起來的一種優化檢驗策略的方法［6］。目的是保障設備的安全、提高企業的管理水平、提高技術人員的技術水平、優化檢驗策略。RBI 技術很好的將腐蝕機理融入到檢驗分析計劃中，使裝置風險的評估具有了前瞻性。

如圖1所示，RBI 技術由失效概率和失效后果兩部分組成，在5×5 的風險矩陣上，將評估結果通過數據排列。在位置上可以看出，位于風險矩陣右上角的設備風險最高，將最有可能先進行檢驗。同理，位于風險矩陣左下角的項目風險最低，其檢驗優先級往往較低。通過RBI 技術，可以更為準確及時的識別預測到設備存在的故障風險以及故障發生的概率，從而減少事故的發生［7］。

2.3 完整性操作窗口（IOW）

一個完整的RBI 程序需要依靠完整性操作窗口（IOW）的建立和實施來避免事故的發生。由API RP 584 可知，完整性操作窗口是裝置工藝運行參數界限的一個子集，其目的是將可能影響設備完整性或可靠性的任何變量都得到有效的控制。如果缺乏有效的基于完整性操作窗口的工藝控制，為了找出因缺乏工藝控制而帶來可能產生的問題，操作人員往往需要進行經常性的檢驗。而由于這種檢驗是基于猜想進行的，因此這樣的檢驗缺乏安全性和經濟性。完整性操作窗口建立后，需要進行有效的數據搜集，包括監測儀表的顯示和報警以及取樣樣品的分析報告，從而逐步建立起IOW 數據庫。通過數據庫反饋回腐蝕回路圖中，不斷地更新、修正完整性操作窗口，從而使整個完整性管理能夠更加貼近生產實際，這樣就完成了整個完整性管理的全過程。

3 應用分析

3.1 腐蝕機理

芳烴抽提裝置的腐蝕主要源自于環丁砜高溫氧化和水解，部位多集中于高溫循環溶劑系統中。環丁砜在高溫含氧條件下會分解為丁二烯和SO2，丁二烯聚合成高分子有機物會堵塞設備及管線，而SO2被氧化生成硫酸造成設備的腐蝕。環丁砜水解會形成磺酸化合物，由于水在運行過程中是不可或缺的，因此環丁砜的水解幾乎使不可避免的。同時水中聚集的微量氯離子、酸類物質，為金屬發生電化學腐蝕提供了所需的溶液環境［8］，水含量的增加會加速環丁砜對碳鋼材料的腐蝕。當水的質量分數超過3%時，環丁砜急劇劣化，環丁砜溶液的腐蝕性顯著增強［9］。另外環丁砜中夾帶的環丁烯砜也易分解成酸性物質造成腐蝕。裝置內設置溶劑再生塔的目的便是能夠及時的將環丁砜的降解產物排除，通常溶劑再生塔的清理周期為3～6 個月。

由于上游重整裝置需要在系統中注氯，因此芳烴抽提原料中幾乎不可避免會攜帶氯離子。氯離子在溶劑循環系統聚集，易造成點蝕或應力腐蝕開裂。另外由于雨水、蒸汽伴熱管線的泄露以及循環水中夾帶的離子、微生物等也會使裝置出現不同程度的保溫層下腐蝕和循環水系統腐蝕。

3.2 工藝防腐方案

在循環溶劑系統中設置在線監測系統可以有效的監控裝置的腐蝕狀況，目前常用的兩種監測手段是腐蝕探針和在線測厚系統。腐蝕探針是采用監測部位相同材質、規格的探針插入工藝介質中，通過測量探針在工藝介質中腐蝕時的電阻值的變化，推算金屬在工藝介質中的腐蝕速度，從而間接的反應處被測部位設備壁厚的變化。這種監測方式靈敏度高，但不易在線維修更換，不適合在高腐蝕工況下使用。在線測厚系統是通過計算超聲波在被測物體表面產生表面回波信號的時間差來精準測量金屬材料的厚度。監測系統可在線安裝在設備外表面，無需停工，易維修和更換。監測系統推薦的安裝位置為貧溶劑、富溶劑以及再生溶劑管線。

腐蝕回路圖（見圖2）中標注了工藝防腐的控制指標，即IOW。上游原料重整油中夾帶的S、O、Cl 等微量離子會在循環溶劑中累積，因此嚴格控制原料油中雜質的含量。溶劑在循環過程中不可避免會存在一定量的損失，因此需不定時的對系統補充新鮮溶劑。補充溶劑存儲在常壓儲罐中，儲罐應處于氮封狀態，嚴格杜絕空氣進入，定期對補充溶劑的pH 值、氧含量等指標進行監控，避免溶劑降解。

另外，為了避免溶劑降解，循環溶劑系統的溫度一般控制在180 ℃以下，裝置再沸器熱源通常使用由4.0 MPa 蒸汽減溫減壓后得到的2.2 MPa 蒸汽，蒸汽的溫度控制在220 ℃以下。在設備設計選型時一般選用插入式再沸器，即再沸器管束整體插入嵌入到塔體內，這樣可以使介質更好的轉熱，避免局部溶劑受熱造成降解。同時需確保負壓系統的密閉性，防止外界氧氣進入，可減緩環丁砜溶劑的氧化分解［10］。

循環溶劑的水質量分數一般控制在1.0%以下，這樣既可以在工藝上提高溶劑的選擇性、提高芳烴純度，又可以避免由于水含量過高帶來的溶劑降解。溶劑系統中pH 值一般通過添加單乙醇胺來控制，需要注意的是過量的單乙醇胺會在系統中形成新的胺鹽沉淀物，造成新的腐蝕，因此循環系統的pH值往往控制在6.0～8.0。

貧溶劑過濾器設置在循環溶劑進入抽提蒸餾塔入口處，其目的是除去溶劑中的雜質和膠質。常用的過濾器形式一般有燒結網式和棉線纏繞式。由于前者可以頻繁的切除清理，因此從裝置運行成本考慮推薦使用，尤其是在溶劑系統剛剛投入使用時。雖然清理溶劑過濾器在一定程度上造成溶劑的損失，但可以有效的提高溶劑運行質量。建議在裝置運行初期提高清理過濾器頻率，以達到凈化循環溶劑的目的。

目前環丁砜溶劑在線凈化技術已經在芳烴抽提裝置上得到了一定程度上的應用。在多種在線凈化技術中，陰離子交換樹脂法的效果最佳。其原理是利用陰離子交換樹脂來脫除環丁砜溶劑中的酸性物質，并通過堿再生樹脂達到連續脫除酸性物質和氯離子的目的。工業上使用的結果表明，系統中環丁砜溶劑的pH 值上升，顏色變淡，芳烴抽提裝置的性能得到有效提升［11］。

升級設備材質也是工業上進行腐蝕防護的常用方法。在含水的循環溶劑系統中，304 不銹鋼和316L不銹鋼比20 號碳鋼更耐腐蝕，因此將與溶劑相關的換熱器管線部位改用不銹鋼材質也可以有效的減緩腐蝕［12］。

通過使用RBI 技術分析，芳烴抽提裝置除溶劑循環系統外的其他部位腐蝕情況均不嚴重，因此不必投入過多的力量進行監控管理。裝置內涉及到的蒸汽系統、循環水系統及保溫層下存在的腐蝕的防護方法與其他裝置類似。

4 結束語

本文通過腐蝕完整性管理劃分了芳烴抽提裝置的腐蝕回路圖，分析了腐蝕機理并給出了具有參考意義的完整性操作窗口，提出了裝置腐蝕防護的重點部位、監控方法及防腐建議。腐蝕完整性管理可用于各類煉油化工裝置，其得出的分析結果均具有一定的參考價值。