周家成，周琳，張道君，古紅星，周尖

（中國石油獨山子石化分公司乙烯廠，新疆 獨山子 833699）

乙烯裝置碳三加氫反應(yīng)器冷卻器泄漏原因分析及對策

周家成，周琳，張道君，古紅星，周尖

（中國石油獨山子石化分公司乙烯廠，新疆 獨山子 833699）

針對乙烯裝置碳三加氫冷卻器10-E-5211運行期間發(fā)生換熱器管束泄漏的問題，通過對冷卻器管束進(jìn)行宏觀檢查、換熱器器壁的垢樣分析及循環(huán)水的腐蝕性能分析等方法，初步判定是由于循環(huán)水垢下腐蝕造成管束內(nèi)壁穿孔引起的碳三加氫冷卻器管束泄漏問題，同時泄漏的碳三組分為循環(huán)水中腐蝕性細(xì)菌提供營養(yǎng)源，加劇細(xì)菌繁殖，從而加速循環(huán)水垢下腐蝕。本文提出了對冷卻器入口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行限位、循環(huán)水關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控、冷卻器定期反沖洗等可行的防護(hù)措施，確保裝置長周期安全平穩(wěn)運行。

冷卻器；泄漏；腐蝕；循環(huán)水

乙烯裝置分離單元碳三加氫冷卻器10-E-5211主要作用是將碳三加氫反應(yīng)器出口物料進(jìn)行冷卻后，氣液相組分分別從冷卻器的頂部和底部進(jìn)入碳三分離罐10-V-5231，分離出的液相碳三組分送至丙烯精餾系統(tǒng)獲得丙烯產(chǎn)品。在2016年運行期間，由于碳三加氫冷卻器10-E-5211管束泄漏，造成10-E-5211的換熱器換熱性能急劇下降，嚴(yán)重影響裝置的正常運行。通過對冷卻器管束進(jìn)行宏觀檢查、換熱器器壁的垢樣分析及循環(huán)水的腐蝕性能分析等方法，對10-E-5211碳三加氫冷卻器管束的泄漏原因進(jìn)行分析并提出了針對性的預(yù)防措施，有效地保證了裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

1 10-E-5211工藝流程及運行參數(shù)

1.1 10-E-5211工藝流程接掃

碳三加氫過程是一個放熱反應(yīng)過程，離開碳三加氫反應(yīng)器的加氫產(chǎn)物包括氣相和液相兩部分進(jìn)入到碳三加氫冷凝器10-E-5211中，反應(yīng)產(chǎn)物氣相組分通過循環(huán)水冷凝下來，液相組分通過循環(huán)水再次冷卻。冷凝的液相碳三組分通過碳三加氫冷卻器10-E-5211液相線進(jìn)入碳三加氫分離罐10-V-5231，剩余的氫氣、甲烷和部分未冷凝的碳三組分通過碳三加氫冷凝器10-E-5211氣相線進(jìn)入碳三加氫分離罐10-V-5231。通過調(diào)節(jié)閥1和閥2保證氣相線溫度TG001與液相箱溫度TG002溫度接近相同（圖1）。

1.2 設(shè)備運行參數(shù)介紹

碳三加氫冷卻器10-E-5211結(jié)構(gòu)形式為固定管板式換熱器，規(guī)格參數(shù)為φ1850mm×22mm×11673．5 mm，換熱面積950m2，工藝運行參數(shù)見表1。

圖1 碳三加氫冷卻器工藝流程圖

2 碳三加氫冷卻器宏觀檢查及垢樣分析

2.1 碳三加氫冷卻器宏觀檢查

換熱器的管箱和封頭解體后發(fā)現(xiàn)，換熱器的循環(huán)水入口側(cè)管箱存在大量的冷卻塔填料、冷卻塔壁防腐層脫落物及塑料等堵塞物，換熱器循環(huán)水側(cè)封頭內(nèi)壁及出口管箱處均附著一層5～10mm厚的白色疏松質(zhì)軟粘泥，垢下物嚴(yán)重。管板表面有大量的白色酥松質(zhì)軟粘泥，且管束內(nèi)有大量的石子等雜物，管內(nèi)堵塞的石子嚴(yán)重降低管內(nèi)的循環(huán)水流速，白色酥松質(zhì)軟粘泥極易在管束內(nèi)壁聚集形成生物粘泥垢。

表1 碳三加氫冷卻器工藝參數(shù)

表2 循環(huán)水腐蝕性離子分析結(jié)果

2.2 碳三加氫冷卻器垢樣分析

對換熱器的垢樣進(jìn)行組分分析：有機(jī)物含量為86．32%；碳酸鹽垢含量極少，為0．6%，屬于典型的生物粘泥結(jié)垢，微生物滋生引起的垢下腐蝕。當(dāng)碳三組分丙烯泄漏至循環(huán)水中時，有機(jī)碳源有利于微生物的大量繁殖，使循環(huán)水中的粘泥大量增加，造成設(shè)備的腐蝕速率和粘附速率增加。

3 碳三加氫冷卻器管束腐蝕原因分析

3.1 循環(huán)水運行參數(shù)

2016年1月至2017年1月對循環(huán)水污垢沉積率、碳鋼掛片腐蝕率進(jìn)行統(tǒng)計，年腐蝕速率≤0．075mm/a，污垢沉積率均≤15mm/a，碳鋼掛片腐蝕率≤0．075mm/a，循環(huán)水污垢沉積率、年腐蝕速率、冷卻器出口碳鋼掛片腐蝕率均小于循環(huán)水控制指標(biāo)，滿足換熱器的運行需求。循環(huán)水水質(zhì)不是導(dǎo)致?lián)Q熱器管束泄漏的直接原因。

3.2 工藝條件

碳三加氫反應(yīng)器殼層物料主要為丙烯，丙烯對碳鋼不具備腐蝕性，換熱器材質(zhì)16Mn，在此環(huán)境下耐腐蝕性能較強(qiáng)。碳三加氫反應(yīng)器物料側(cè)設(shè)計溫差為17．25℃，循環(huán)水溫度由30℃上升至35℃，對換熱器的腐蝕速率基本無影響。但冷卻器循環(huán)水流量由冷卻水入口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥的開度過小時循環(huán)水的流速降低十分明顯，在低流速的情況下，循環(huán)水中的粘泥極易在換熱器中進(jìn)行聚集，降低換熱器換熱效率，極易引起循環(huán)水側(cè)結(jié)垢形成垢下腐蝕環(huán)境。一旦換熱器發(fā)生泄漏，丙烯進(jìn)入循環(huán)水中將給循環(huán)水中的腐蝕性細(xì)菌提供營養(yǎng)源，腐蝕細(xì)菌滋生會附著在管壁、管板等泄漏部位，從而加劇冷卻器的腐蝕速率。

3.3 垢下腐蝕

碳三加氫冷卻器管程介質(zhì)為循環(huán)水，對循環(huán)水進(jìn)行定期的化學(xué)分析監(jiān)測CL－、粘泥、pH值等垢物及腐蝕介質(zhì)含量，2015年10月1日～2017年1月1日的監(jiān)測結(jié)果見表2。分析數(shù)據(jù)可見，循環(huán)水中Ca2+濃度偏高，在換熱器管壁處極易形成粘泥沉積，同時換熱器管箱處積聚有脫落的循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水塔填料、防腐層脫落物、塑料、小石子等雜物，造成管程內(nèi)循環(huán)水流速降低，為微生物的沉積、生長提供了有利環(huán)境，管壁內(nèi)側(cè)形成結(jié)構(gòu)物造成冷卻器管束嚴(yán)重腐蝕。

垢下腐蝕屬于典型的電化學(xué)腐蝕，其陽極反應(yīng)為鐵離子失去2個電子變成亞鐵離子，陰極反應(yīng)為垢下物中的水和氧氣得到2個電子變成2OH－。腐蝕反應(yīng)開始時管壁積垢物下金屬鐵失去電子生成亞鐵離子Fe2+，在極端的時間內(nèi)由于垢下的氧氣完畢造成陰極反應(yīng)停止。此時結(jié)垢物內(nèi)外形成垢下缺氧、垢外富氧，形成氧濃差電池。此時氧氣的還原反應(yīng)開始在垢外進(jìn)行陰極反應(yīng)，垢下只發(fā)生陽極反應(yīng)，管束內(nèi)壁金屬不斷溶解生成Fe2+，出現(xiàn)過剩的正電荷。為了保持電中性，垢外氯離子穿透結(jié)垢物進(jìn)入到垢下，與金屬鐵離子Fe2+形成FeCl2。綠化亞鐵FeCl2發(fā)生水解形成腐蝕性極強(qiáng)的鹽酸溶液，使垢下pH值持續(xù)下降、酸度增加造成垢下的管束內(nèi)壁形成深淺不一的蝕坑，隨著蝕坑的生長，加快了垢下金屬的溶解速度。

3.4 微生物腐蝕

循環(huán)水中的細(xì)菌主要有粘液細(xì)菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌等，粘液細(xì)菌吸附水中的污物形成生物粘泥團(tuán)，粘泥主要沉積在管板、封頭處，為微生物形成了生存繁殖條件。微生物不僅本身分泌黏液構(gòu)成沉積物，而且也粘住在正常情況下可以保持在水相的其他懸浮雜質(zhì)繼續(xù)形成粘泥團(tuán)。在粘泥團(tuán)的周圍和粘泥團(tuán)的下方形成氧的濃差電池，粘泥團(tuán)的下部因缺氧而成為活潑的陽極，鐵不斷被溶解引起嚴(yán)重的局部腐蝕。

3.5 檢修過程中水冷器的檢查

對換熱器管束進(jìn)行查漏后進(jìn)行渦流檢測，通過渦流檢測發(fā)現(xiàn)共計20根換熱器壁厚損失在30%～40%，同時對換熱器進(jìn)行試壓，上述壁厚減薄的管束未發(fā)現(xiàn)泄漏，對上述管線進(jìn)行監(jiān)控運行，下次檢修對其再次進(jìn)行渦流檢測，出現(xiàn)繼續(xù)減薄情況進(jìn)行堵管操作。

4 冷卻器泄漏防范措施

4.1 循環(huán)水指標(biāo)監(jiān)控

定期對裝置所有循環(huán)水冷卻器的循環(huán)水進(jìn)、出口側(cè)取樣對比分析，判斷監(jiān)控冷卻器運行情況。針對裝置進(jìn)水采用自動調(diào)節(jié)閥的閥門做好限位措施，避免閥門關(guān)閉太小出現(xiàn)循環(huán)水流速降低導(dǎo)致冷卻器出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。加強(qiáng)對循環(huán)水CL－、粘泥、pH值等關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況及時調(diào)整確保循環(huán)水關(guān)鍵指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（表3）。

表3 循環(huán)水關(guān)鍵控制指標(biāo)

4.2 循環(huán)水入口調(diào)節(jié)閥閥位限制

定期對冷卻器的循環(huán)水流速進(jìn)行測定，根據(jù)API 571《煉油廠固定設(shè)備的損傷機(jī)理》要求，當(dāng)冷卻器管壁內(nèi)的循環(huán)水流速＜1 m/s時，容易形成粘泥沉積及垢下腐蝕發(fā)生。裝置通過對冷卻水入口調(diào)節(jié)閥10-HV-52001閥位進(jìn)行低限位，確保循環(huán)水入口調(diào)節(jié)閥開度始終大于40%，始終保證管壁內(nèi)的循環(huán)水流速＞1 m/s，避免因冷卻水流速過低造成冷卻器結(jié)垢發(fā)生垢下腐蝕。

4.3 循環(huán)水換熱器反沖洗方案，開展分級處理

定期對冷卻器循環(huán)水進(jìn)行反沖洗操作，減少微生物粘泥、泥沙、腐蝕產(chǎn)物及其他固體顆粒在管束與管板間的沉積，提高冷卻水的流速，降低垢下腐蝕發(fā)生的幾率。對換熱器進(jìn)行A/B分級管理，將高點、末端、流速低、泄漏過的換熱器識別為A類，A類換熱器每季度反沖洗一次，B類換熱器全部換熱器上、下半年各反沖一次。對檢修后及流量調(diào)整后的換熱器，需要重新測速，對冷卻水的流速小于1．0m/s的換熱器進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)碳三加氫冷卻器10-E-5211的氣相線、液相線溫度高于50℃時，判斷溫度高的原因并進(jìn)行反沖洗操作等處理，降低循環(huán)水的結(jié)垢沉積率。

4.4 循環(huán)水水質(zhì)凈化

通過減小循環(huán)水格網(wǎng)空隙，定期清理池底雜質(zhì)等措施清除循環(huán)水塔破碎填料片及其它雜質(zhì)，減少雜物和粘泥等雜物在冷卻器中的沉積，減緩或避免因垢下腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)泄漏。

5 結(jié)語

針對乙烯裝置分離單元10-E-5211碳三加氫冷卻器管束的管束腐蝕泄漏，通過對循環(huán)水的檢測分析及現(xiàn)場宏觀檢查，判斷碳三加氫冷卻器管束泄漏的主要因素是雜物堵塞換熱器部分進(jìn)水管束，循環(huán)水流速降低，形成垢下腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致管束內(nèi)壁腐蝕穿孔泄漏。

另外殼層中的丙烯組分泄漏至循環(huán)水中給循環(huán)水中的腐蝕性細(xì)菌提供營養(yǎng)源，加劇管壁、管板等泄漏部位的腐蝕速率。針對冷卻器管束泄漏提出了針對性的防護(hù)措施，并在實際操作運行得到有效應(yīng)用，目前該碳三加氫冷卻器已連續(xù)穩(wěn)定運行半年。

[1]中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會．石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

[2]周本省．工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中金屬的腐蝕與防護(hù)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，1995．

[4]龍荷云．循環(huán)冷卻水處理[M]．江蘇科技出版社，1984．

[5]張道君．加氫裝置二段冷卻器管束泄漏原因分析及對策[J]．石油化工設(shè)備，2016．

[6]李俊俊，劉峰．換熱器管束腐蝕穿孔失效原因分析[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2012，（3）．

TQ051.5

A

1671-0711（2017）09（上）-0115-03