李偉華，李 杰

(中國石化普光天然氣凈化廠，四川達(dá)州 636158)

普光天然氣凈化廠共建設(shè)6套凈化裝置及配套設(shè)施，每套凈化裝置由2個系列的脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理和酸水汽提單元組成。以普光氣田高含硫天然氣為原料，H2S和CO2平均含量分別為14%和8%(v/v)，采用MDEA法脫硫、TEG法脫水、常規(guī)克勞斯二級轉(zhuǎn)化法硫磺回收、加氫還原吸收尾氣、單塔低壓汽提酸水的工藝路線。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝條件

凈化裝置中間胺液冷卻器(E-105)的作用是將來自二級吸收塔(C-102)的半富胺液進(jìn)行冷卻，冷卻后再進(jìn)入一級吸收塔(C-101)進(jìn)一步吸收天然氣中的硫化氫。原為意大利Koch公司制造，后經(jīng)全部國產(chǎn)化改造后一直運(yùn)行正常，至2017年12月15日首次發(fā)生泄漏，為第三聯(lián)合132系列E-105，2013年1月投用，其基本參數(shù)如下：

換熱器型式代號BFU1800X11009X70，為U型列管式，總重約80.482T，管束重約32.878T，換熱面積1 490 m2，容積26.03 m3；換熱管根數(shù)為1 744根，管束規(guī)格φ19 mm×2 mm，長度7 500 mm，材質(zhì)10#鋼，管內(nèi)壁采用SHY-99涂層(一種耐蝕高分子合成樹脂；工作溫度≤260 ℃；涂層厚度150±30 μm)。運(yùn)行及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 中間胺液冷卻器(E-105)管束腐蝕檢驗(yàn)

2.1 腐蝕形貌

2.1.1外部形貌

觀察現(xiàn)場切割下管束宏觀形貌，外壁表面粗糙，有淺的密集麻坑，呈均勻腐蝕形貌(圖1)；4#管束外表面存在1處穿孔(圖2)，外部孔直徑約1 mm；直管和彎管外部形貌對比，發(fā)現(xiàn)直管和彎管外部均有密集淺腐蝕坑，彎管較直管腐蝕嚴(yán)重(圖3)。

表1-1 國產(chǎn)中間胺液冷卻器(E-105)操作及設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 管束宏觀形貌

圖2 4#管束穿孔形貌

圖3 其他管束外表面形貌(體視鏡放大6.7X)

2.1.2內(nèi)部形貌

管束內(nèi)窺鏡檢查：內(nèi)壁沿軸向有兩條較窄的黑色“光亮帶”(箭頭處)，呈對稱分布；其它大部分表面較粗糙，有紅褐色銹斑，判斷內(nèi)壁存在局部腐蝕(圖4)。

圖4 管束內(nèi)部形貌

觀察軸向剖開后直管(3#)和彎管(1#)內(nèi)壁形貌：黑色“光亮帶”為內(nèi)部涂層，涂層脫落處或涂層不完整處存在腐蝕(圖5)。

圖5管束的內(nèi)壁形貌

觀察穿孔的4#管束：沿軸向剖開發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物沿軸向呈過渡分布，腐蝕產(chǎn)物越多凹坑越密集；蝕坑密集處，涂層破損越嚴(yán)重。蝕坑寬度從內(nèi)表面向外表面過渡減少，蝕坑最長邊4.15 mm，遠(yuǎn)大于外壁徑長，可知腐蝕坑是由內(nèi)向外發(fā)展。腐蝕坑起源于內(nèi)壁，穿孔發(fā)生于腐蝕坑底部(圖6)。

圖6 4#管束內(nèi)部形貌

觀察其他管束內(nèi)部腐蝕坑：與外表面較密集淺腐蝕坑(圖3)相比，存在蝕坑但未穿透，證實(shí)穿孔主要由管束內(nèi)側(cè)腐蝕引起(圖7)。

圖7 其他管束內(nèi)表面形貌(體視鏡放大6.7X)

2.1.3截面形貌

觀察2#管束橫截面：管束內(nèi)部涂層厚度明顯不均，最厚處約0.18 mm，多處低于0.05 mm，最薄處已無涂層覆蓋，可見明顯腐蝕坑(圖8)。根據(jù)SH/T 3540-2007《鋼制換熱設(shè)備管束復(fù)合涂層施工及驗(yàn)收規(guī)范(附條文說明)》，涂層厚度不符合150±30 μm的要求。

圖8 2#管束橫截面(體視鏡放大10X)

2.2 介質(zhì)腐蝕性分析

2.2.1循環(huán)水

循環(huán)水的結(jié)垢與否與水質(zhì)、溫度、流速等有關(guān)，其中水質(zhì)是主要因素。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：循環(huán)水補(bǔ)充水有70%為回用水，根據(jù)API581-2016估算循環(huán)水的水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)RSI。

RSI=2pHs-pHa

(1)

式中：pHa——水的實(shí)測pH值；

pHs——碳酸鈣飽和時理論計(jì)算的pH值。

pHs可由式(2)計(jì)算：

pHs=(9.3+C1+C2)-(C3+C4)

(2)

式中：C1——循環(huán)水的總?cè)芙夤腆w；

C2——溫度；

C3——鈣硬度；

C4——M-堿度有關(guān)的系數(shù)。

按表查得C1=0.2，C2=1.79，C3=2.05，C4=2.04。由此計(jì)算得到，pHs=7.2。

計(jì)算水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)RSI=6.7>3

計(jì)算結(jié)果按估算流速為1 m/s，溫度為35 ℃，氯離子為100 μg/g，總固體含量為>400 mg/L，鈣硬度為283 mg/L，總堿度為111 mg/L。

查詢API581-2016標(biāo)準(zhǔn)：RSI>3表明循環(huán)水的水質(zhì)較穩(wěn)定，不具有結(jié)垢的可能，但對碳鋼具有輕微的腐蝕性。

綜上可知，循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)控制良好，符合中石化標(biāo)準(zhǔn)Q/SH0628.2-2014《水務(wù)管理技術(shù)要求第2部分:循環(huán)水》的要求。

2.2.2胺液

E-105殼程介質(zhì)為半富胺液，貧胺液經(jīng)過二級主吸收塔吸收部分硫化氫、大部二氧化碳后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫话芬?。由于日常未對半富胺液進(jìn)行監(jiān)測，但可以通過貧胺液中重要成分監(jiān)測，推斷管束外壁腐蝕，MDEA含量、熱穩(wěn)定鹽和氯離子日常監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表2)，氯離子和熱穩(wěn)定性鹽的趨勢如圖9所示。

表2 凈化裝置132系列貧胺液監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

注：*為實(shí)驗(yàn)室對現(xiàn)場來樣的分析。

圖9 2017年6月至8月貧胺液中氯離子和熱穩(wěn)定鹽含量監(jiān)測值

2.3 腐蝕速率

2.3.1管束測厚

現(xiàn)場切割下7根直段管束和2根彎段管束進(jìn)行定點(diǎn)測厚，每根管束分別隨機(jī)選取6個位置和涂層對應(yīng)部位選取6個位置進(jìn)行測量，并估算平均腐蝕速率，結(jié)果見表3。

所有管束均存在不同程度的腐蝕減薄，隨機(jī)平均腐蝕速率與涂層部位平均腐蝕速率差別不大,說明均勻腐蝕減薄主要由外部腐蝕(即胺液側(cè))引起。

2.3.2循環(huán)水側(cè)腐蝕速率

循環(huán)水的腐蝕性與水質(zhì)、溫度、流速和結(jié)垢等有關(guān)。其中，水質(zhì)是主要因素，根據(jù)API581-2016估算碳鋼在冷卻水中的腐蝕速率：

CR=CRB*Ft*Fv=0.15*0.8*1=0.12 mm/a

注：估算流速為1 m/s，溫度為35 ℃，氯離子為100 μg/g，總固體含量為>400 mg/L，鈣硬度為283 mg/L，總堿度為111 mg/L。

表3 管道隨機(jī)定點(diǎn)測厚

注*：運(yùn)行時間為3年11個月，原始壁厚按2 mm計(jì)。

估算出水側(cè)腐蝕速率為0.12 mm/a>0.075 mm/a(GB/T 50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的碳鋼水側(cè)腐蝕速率)，因此涂層破損，循環(huán)水會對金屬產(chǎn)生腐蝕，在腐蝕產(chǎn)物附著的垢下，產(chǎn)生局部腐蝕坑，加速腐蝕。

3 腐蝕失效原因分析

3.1 穿孔源點(diǎn)

管束外壁腐蝕雖存在濕硫化氫環(huán)境腐蝕，但根據(jù)管束胺液側(cè)較密集的淺腐蝕坑(見圖3)和平均減薄速率在0.05～0.1 mm/a之間，判斷胺側(cè)腐蝕只能引起管束外壁均勻減薄，而不是管束局部腐蝕失效穿孔的主要原因。

可以判斷管束腐蝕穿孔主要是內(nèi)側(cè)腐蝕引起，內(nèi)表面涂層在運(yùn)行過程中出現(xiàn)老化或脫落，露出金屬基體使其發(fā)生腐蝕，并產(chǎn)生穿透性蝕孔。根據(jù)管束內(nèi)表面腐蝕形貌，局部減薄處未穿透以及穿孔部位內(nèi)孔徑大于外孔徑，證實(shí)蝕孔是由內(nèi)向外擴(kuò)展，即循環(huán)水是主要腐蝕性介質(zhì)。

3.2 穿孔機(jī)理

根據(jù)循環(huán)水中各項(xiàng)指標(biāo)檢測分析結(jié)果，循環(huán)水符合中石化標(biāo)準(zhǔn)Q/SH0628.2-2014《水務(wù)管理技術(shù)要求第2部分:循環(huán)水》的要求，但對碳鋼仍具有一定腐蝕性。循環(huán)水廠為敞開式，在溶解氧的情況下，發(fā)生溶解氧腐蝕，最終生成Fe3O4、FeOOH等鐵氧化物[1]。由于冷卻水循環(huán)利用，不斷蒸發(fā)導(dǎo)致水體中難溶物質(zhì)濃縮，容易在冷卻器傳熱面沉積結(jié)垢，造成垢下腐蝕，垢下與垢外形成大陰極小陽極的氧濃差電池，最終造成閉塞區(qū)的自催化酸化過程[2]。

故腐蝕穿孔的發(fā)生過程如圖10所示：①內(nèi)壁SHY-99涂層經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，局部老化損傷，造成局部剝落，露出金屬；②在循環(huán)水環(huán)境下，裸露金屬成為腐蝕陽極，形成腐蝕微坑；③腐蝕產(chǎn)物堆積形成垢下腐蝕環(huán)境，加速坑內(nèi)腐蝕，使微坑變寬變深；④外部富氧陰極反應(yīng)為吸氧腐蝕，內(nèi)部陰極反應(yīng)由吸氧腐蝕向析氫腐蝕過渡，內(nèi)部腐蝕加?。虎葑源呋峄^程使孔蝕擴(kuò)展不斷地進(jìn)行，最終導(dǎo)致腐蝕失效穿孔。

圖10 4#穿孔附近內(nèi)表面和側(cè)截面

4 結(jié)語

通過上述腐蝕原因分析，得出以下結(jié)論及解決措施。

a)E-105水冷器管束腐蝕穿孔由管束內(nèi)部的局部腐蝕導(dǎo)致，主要是內(nèi)部涂層損壞后發(fā)生垢下腐蝕。

b)針對水冷器碳鋼管束，均勻腐蝕速率在0.05～0.1 mm/a，其腐蝕減薄主要發(fā)生在外側(cè)(胺液側(cè))，內(nèi)側(cè)(循環(huán)水側(cè))的均勻腐蝕不明顯。

c)針對管束內(nèi)側(cè)，涂層完整處耐蝕性優(yōu)良，但在涂層損壞或失效區(qū)域，容易發(fā)生顯著的局部腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致管束腐蝕穿孔泄漏。

d)分析涂層的使用環(huán)境(循環(huán)水)較好，說明其損壞或失效的原因可能是由施工質(zhì)量不佳所致。因此，要求涂層施工必須嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行。①設(shè)備表面除銹風(fēng)機(jī)必須達(dá)到GB 8923-88 Sa2.5級，處理好的物件將灰砂吹凈后立即涂刷涂料；②涂料使用的稀釋劑：專用混合溶劑；③固化溫度：由升溫曲線控制，每道涂裝后的固化升溫嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，嚴(yán)禁出現(xiàn)聚冷現(xiàn)象；④涂膜完后膜厚：建議施涂底漆2道、面漆4道，干膜厚度為200±50 μm；⑤涂膜完后外觀：漆膜光潔平整、呈漆本色，無可見流行、滴墜、氣孔、氣泡現(xiàn)象。