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        硫酸裝置液硫焚燒單元關(guān)鍵設(shè)備的腐蝕控制

        2021-07-12 01:09:32張文博
        石油化工腐蝕與防護(hù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:液硫爐氣耐火磚

        喻 燦,張文博,王 申

        (1.上海安恪企業(yè)管理咨詢有限公司,上海 200237;2.中國石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司,江蘇 南京 210048;3.中國石油錦州石化公司研究院,遼寧 錦州 121000)

        硫酸裝置液硫焚燒單元的關(guān)鍵設(shè)備為焚硫爐和廢熱鍋爐。從儲(chǔ)存單元來的液硫通過硫黃槍霧化送入焚硫爐內(nèi)燃燒,焚硫爐內(nèi)溫度1 000 ℃左右,SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約9.5%的爐氣進(jìn)入廢熱鍋爐進(jìn)行冷卻會(huì)造成廢熱鍋爐低溫部位腐蝕。腐蝕會(huì)影響硫酸裝置安全運(yùn)行,因此進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和防控就顯得尤為重要。

        1 腐蝕分析

        某廠硫酸裝置液硫焚燒單元的焚硫爐材質(zhì)為Q235A,內(nèi)襯一層保溫磚和二層耐火磚,爐氣進(jìn)入廢熱鍋爐的管道材質(zhì)為16MnR+耐火磚,廢熱鍋爐管束材質(zhì)為20g。液硫﹑有機(jī)物和硫化氫等在焚燒過程產(chǎn)生多種產(chǎn)物,包括S,COS,CS2,SO2,NO,NO2,CO2和SO3等,這些燃燒產(chǎn)物以氣相形式存在,接觸這些產(chǎn)物的設(shè)備及管線存在潛在的腐蝕隱患。

        液硫燃燒的主要原則工藝流程見圖1。

        圖1 液硫焚燒工藝流程

        焚硫爐及爐氣進(jìn)入廢熱鍋爐的管道及跨線內(nèi)壁襯里,在高溫下會(huì)出現(xiàn)劣質(zhì)化(開裂、脫落等),導(dǎo)致爐壁局部超溫,在停工期間產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。另外進(jìn)料管嘴存在沖刷腐蝕和高溫蠕變而產(chǎn)生裂紋,其失效形式以耐火材料損壞為主,耐火襯里損壞易導(dǎo)致鋼材的高溫硫化和高溫蠕變,在低溫時(shí)產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。

        廢熱鍋爐管束材質(zhì)為碳鋼,入口側(cè)管板表面有耐火澆注料,換熱管有陶瓷套管,長(zhǎng)約100 mm。在裝置正常運(yùn)行時(shí)腐蝕輕微,在超溫下運(yùn)行,陶瓷套管可能會(huì)破裂,導(dǎo)致管板和換熱管發(fā)生熱應(yīng)力開裂[1]。在停工期間,管束管程側(cè)爐氣中的介質(zhì)溶解到凝結(jié)水中形成酸性腐蝕環(huán)境,而在管束殼程側(cè)管接頭處,當(dāng)處于氣液交界面時(shí),易發(fā)生鍋爐水中堿濃縮引起的堿脆。

        廢熱鍋爐出口管線材質(zhì)為16MnR,主管線的支管盲區(qū)處于降溫區(qū)域,易發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕。

        對(duì)液硫焚燒單元而言,最關(guān)鍵的設(shè)備為焚硫爐和余熱鍋爐,主要參數(shù)見表1。

        1.1 焚硫爐的重點(diǎn)腐蝕部位

        (1)焚硫爐F-901 殼體為14 mm碳鋼,鋼殼內(nèi)襯保溫磚和耐火磚,在襯磚和烘爐過程中,磚與磚之間不可避免會(huì)有一些孔和縫隙,煙氣會(huì)擴(kuò)散到鋼殼內(nèi)表面產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。依據(jù)盧欽斯基露點(diǎn)計(jì)算公式計(jì)算焚硫爐出口爐氣露點(diǎn)溫度[2],見公式(1)和(2),計(jì)算所需參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表2。為了確保管壁溫度高于露點(diǎn)溫度8 ℃以上,要求鋼殼表面溫度不低于104.6 ℃。

        表1 硫酸裝置液硫焚燒單元關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

        表2 爐氣主要參數(shù)及露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果

        盧欽斯基的相平衡數(shù)據(jù)回歸的露點(diǎn)計(jì)算式:

        ①當(dāng)PH2O>1.102PSO3,w(H2SO4)≤98.3%

        T=1 000/(2.281 19-0.066 2ln(PH2O)-0.048 77ln(PSO3)

        (1)

        ②當(dāng)PH2O<1.102PSO3,w(H2SO4)≥100%

        T=1 000/(2.494 78-0.088 8ln(PH2O)-0.032 04ln(PSO3)

        (2)

        式中:PH2O為氣相中水蒸氣的分壓,mmHg(1 mmHg=133.322 Pa);PSO3為氣相中三氧化硫的分壓,mmHg;w(H2SO4)為露點(diǎn)時(shí)液相中硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù);T為露點(diǎn)溫度,K。

        (2)當(dāng)進(jìn)焚硫爐的硫含量或空氣含量超標(biāo)時(shí),就會(huì)導(dǎo)致焚硫爐溫度過高。如果超過耐火磚承受溫度,耐火磚就會(huì)脫落,爐子外殼也會(huì)變形甚至破裂。當(dāng)高溫?zé)煔鈬姵?,?huì)燙傷附近的操作人員。因此,根據(jù)耐火磚耐熱能力,設(shè)定高溫報(bào)警值對(duì)設(shè)備的安全操作很重要??梢栽诜倭驙t外表面涂感溫變色漆,監(jiān)控爐壁溫度。

        1.2 廢熱鍋爐重點(diǎn)腐蝕部位

        (1)在廢熱鍋爐爐氣入口端溫度很高,管板上的耐火澆注料易發(fā)生高溫氧化和耐火襯里退化,而管板耐火材料與鋼玉襯管損壞會(huì)導(dǎo)致管板超溫,導(dǎo)致管板高溫?fù)p傷。

        (2)廢熱鍋爐風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高的部位在管束或汽包區(qū)域的氣液交界處。根據(jù)2019~2020年的過熱蒸汽分析數(shù)據(jù),蒸汽中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均達(dá)到0.512 μg/g,遠(yuǎn)超工藝指標(biāo)0.015 μg/g的要求,使得汽包堿脆發(fā)生的可能性增大,因此,需要嚴(yán)格控制蒸汽中鈉離子含量。此外,在停車或檢修期間,停用鍋爐水側(cè)需要采取防腐措施。保證保溫良好和不用冷空氣吹灰,廢熱鍋爐內(nèi)任何部位的壁溫均高于硫酸露點(diǎn)溫度,否則,靠近出口的部位易發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

        通過對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,獲得各項(xiàng)腐蝕對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn),見表3。各風(fēng)險(xiǎn)的判斷應(yīng)該依據(jù)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)表(見表4),結(jié)合裝置實(shí)際的運(yùn)行記錄和資料分析確定。

        表3 液硫焚燒單元關(guān)鍵設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

        表4 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

        2 典型案例分析

        2.1 鍋爐汽包上升管焊縫開裂

        上升管與汽包環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋,并向母材擴(kuò)展,見圖2。

        圖2 鍋爐汽包上升管焊縫開裂

        2.2 鍋爐下降管與換熱筒體連接焊縫開裂

        鍋爐下降管與換熱筒體連接焊縫發(fā)生開裂,并且裂紋沿環(huán)焊縫方向快速延伸。焊縫連接管的原厚度為8 mm,測(cè)量值在6.8~7.5 mm(見圖3),厚度略有減簿。

        圖3 下降管在換熱筒體連接處形貌

        2.3 開裂原因分析

        通過腐蝕分析,兩處開裂均為堿脆,特征是發(fā)生在處于堿環(huán)境的設(shè)備和管道中,從表面起裂,主要發(fā)生在未經(jīng)焊后熱處理的焊縫的熱影響區(qū)。pH值是鍋爐水水質(zhì)控制的重要指標(biāo),在鍋爐水中含有一定量的鈉離子,在氣液交界面或出現(xiàn)水濃縮的滯流區(qū)會(huì)形成堿性物質(zhì)(燒堿)的濃縮,在溫度和殘余應(yīng)力作用下易形成堿開裂。

        碳鋼在苛性堿環(huán)境中的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)見圖4。由圖4可知,碳鋼在金屬溫度小于46 ℃時(shí)不易出現(xiàn)腐蝕性開裂;溫度在46~82 ℃,開裂敏感性是堿液濃度的函數(shù)。裝置運(yùn)行時(shí)需關(guān)注溫度的變化,且應(yīng)監(jiān)控鍋爐水中鈉離子含量,避免溫度變化造成的堿濃縮,導(dǎo)致碳鋼的堿開裂。

        圖4 碳鋼堿應(yīng)力腐蝕開裂敏感性

        3 腐蝕控制方法

        常見的腐蝕控制方法有:選材優(yōu)化、涂層防腐、陰極保護(hù)、工藝防腐、腐蝕監(jiān)檢測(cè)以及腐蝕控制操作窗口等,對(duì)于該單元的關(guān)鍵設(shè)備,可采取腐蝕監(jiān)檢測(cè)策略,見表5。

        表5 腐蝕監(jiān)檢測(cè)策略

        4 腐蝕完整性操作窗口

        為解決余熱鍋爐出口管箱可能出現(xiàn)的露點(diǎn)腐蝕以及鍋爐水側(cè)堿濃縮帶來的堿脆問題,就需要對(duì)影響腐蝕的相關(guān)參數(shù)建立腐蝕控制操作窗口[3](見表6)。關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警級(jí)別按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為報(bào)警、警示和提醒,其主要區(qū)別是處理反饋窗口超限值所需時(shí)間的不同。對(duì)于報(bào)警級(jí)別,通常系統(tǒng)會(huì)有聲音或圖像報(bào)警給操作者,要求操作者采取特定應(yīng)急措施將參數(shù)立即調(diào)回到窗口限值范圍;在某些情況下,儀表系統(tǒng)也可以自動(dòng)停車進(jìn)行回調(diào);對(duì)于警示級(jí)別,也有圖像和聲音警報(bào),響應(yīng)時(shí)間可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)延長(zhǎng);對(duì)于提醒級(jí)別,會(huì)有圖像提醒超標(biāo),系統(tǒng)自動(dòng)記錄該次提醒并進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì),分析超標(biāo)原因。

        表6 關(guān)鍵工藝參數(shù)腐蝕控制操作窗口限值清單

        5 結(jié) 語

        通過對(duì)硫酸裝置液硫焚燒單元進(jìn)行腐蝕分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,明確了該單元中關(guān)鍵設(shè)備的潛在腐蝕和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),并建立相關(guān)的腐蝕完整性操作窗口,窗口值結(jié)合了關(guān)鍵參數(shù)的限值指標(biāo)和指標(biāo)超標(biāo)可能帶來的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),便于裝置的日常腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理,保證了控制設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),達(dá)到生產(chǎn)效益的最大化。

        通過爐氣參數(shù)計(jì)算露點(diǎn),明確了廢熱鍋爐外壁的溫度不得低于104.6 ℃;通過對(duì)典型腐蝕案例的分析,確定設(shè)備具有較大的堿開裂腐蝕失效可能性,由此建立了鈉離子的控制指標(biāo),降低了設(shè)備堿開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

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