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        酸性水汽提裝置氨精餾塔底重沸器管束失效分析

        2021-11-29 02:16:04
        全面腐蝕控制 2021年10期
        關(guān)鍵詞:分析

        郭 雷

        (中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司煉油部,天津 300270)

        0 引言

        某酸性水汽提裝置氨精制系統(tǒng)精餾塔底重沸器E-3503管束發(fā)生泄漏,造成裝置局部停工緊急搶修,檢修中發(fā)現(xiàn)管束腐蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,緊急采購(gòu)新管束進(jìn)行更換。該管束2012年大修更換,之后僅1年內(nèi)多次發(fā)生泄漏,堵管20多根,大大影響了裝置的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。

        該酸性水汽提裝置采用單塔加壓側(cè)線(xiàn)抽出汽提工藝,包括汽提和氨精制部分,其中精餾塔屬于氨精制部分,于2002年改造完成投用。精餾是一個(gè)傳熱傳質(zhì)過(guò)程,氨水精餾制液氨是根據(jù)氨水中NH3和H2O、H2S等雜質(zhì)的沸點(diǎn)相差較大,利用汽液兩相多次逆流平衡接觸,進(jìn)行傳熱傳質(zhì)而進(jìn)行分離,在加壓條件下,在塔頂?shù)玫礁呒兌鹊陌睔?,冷凝得液氨。重沸器就是精餾塔底的熱源,該重沸器管束材質(zhì)09Cr2AlMoRE,是一種較好的耐H2S腐蝕用材,管程介質(zhì)為蒸汽,進(jìn)口200℃,出口180℃,殼程為氨水,進(jìn)口149℃,出口164℃,壓力殼程1.4MPa,管程1.0MPa,氨精餾系統(tǒng)流程,如圖1所示。

        圖1 汽提氨精餾系統(tǒng)流程

        2 檢驗(yàn)與分析

        2.1 宏觀檢驗(yàn)

        檢查發(fā)現(xiàn)舊管束上部外表面腐蝕較重,位于上層管束的重沸管外壁上部(12點(diǎn)鐘方向)積垢嚴(yán)重,將垢層清除后,可見(jiàn)垢下存在明顯的腐蝕坑,尤其在折流板附近管束有多處泄漏孔(如圖2所示)。中、下部管束腐蝕情況較輕微,無(wú)明顯積垢,僅有部分麻點(diǎn)腐蝕坑。管板、管口、管箱、隔板、封頭、筒體等情況良好,未見(jiàn)明顯腐蝕。

        圖2 管束上層管束外壁的積垢及垢下蝕坑

        取部分腐蝕嚴(yán)重的管束,逐根剖開(kāi),編為1~8#,取樣部位(如圖3所示),發(fā)現(xiàn)管束外壁打磨去除污垢后仍均布滿(mǎn)黑色腐蝕產(chǎn)物。2#、5#、6#的腐蝕較嚴(yán)重已經(jīng)穿孔,3#腐蝕嚴(yán)重但未穿孔,其它腐蝕輕微(如圖4所示)。觀察泄漏點(diǎn)穿孔處有從外向內(nèi)腐蝕傾向。

        圖3 管束取樣位置圖

        圖4 腐蝕嚴(yán)重的2#、5#、6#管束

        2.2 化學(xué)成份分析

        對(duì)管束取樣中的6根進(jìn)行了化學(xué)成分分析,RE(稀土)元素的分析只選取了3#及7#樣。由于該材質(zhì)沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供,故檢測(cè)結(jié)果平均值與制造方的質(zhì)量證明書(shū)的測(cè)量值進(jìn)行比較,無(wú)異常,如表1所示。

        2.4 工藝分析

        氨精餾塔底重沸器E3503的殼程介質(zhì)來(lái)自氨精餾塔底的氨水,與管程的蒸汽取熱后重新進(jìn)入氨精餾塔作為氨精餾熱源。工藝控制塔底溫度124~156℃,一般控制溫度保持在140℃左右,溫度調(diào)節(jié)是通過(guò)管程蒸汽流控閥。氨精餾塔底的氨水中含有NH3、H2S、水等,H2S與氨水會(huì)生成硫氫化銨(NH4HS),是一種較強(qiáng)的腐蝕劑,API571標(biāo)準(zhǔn)中介紹硫氫化銨的濃度低于2%時(shí),腐蝕不明顯,但會(huì)隨著濃度上升而加劇。同時(shí),當(dāng)溫度低于其結(jié)晶溫度121℃時(shí),硫氫化銨會(huì)從液相中析出而產(chǎn)生結(jié)垢。雖然實(shí)際操作控制溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其結(jié)晶溫度,但生產(chǎn)操作的變化以及重沸器局部流速和局部溫度的波動(dòng),還是會(huì)有結(jié)晶出現(xiàn)在頂部,并長(zhǎng)時(shí)間累積在頂部。同時(shí)硫氫化銨垢鹽會(huì)破壞管束表面的FeS保護(hù)膜,從而造成垢下局部濃縮而加劇腐蝕。

        3 失效原因分析

        管束材質(zhì)的化學(xué)成分分析結(jié)果未見(jiàn)異常,材質(zhì)選用也沒(méi)有問(wèn)題。09Cr2AlMoRE 是換熱器專(zhuān)用鋼,在S、H2S及環(huán)烷酸介質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性能。該鋼采用低的C成分,一定量的Cr、Mo、Al及RE元素來(lái)進(jìn)行合金化,使鋼材最終使用狀態(tài)組織為索氏體組織。從投用開(kāi)始該材質(zhì)管束基本上能使用兩個(gè)大修周期,目前沒(méi)有設(shè)計(jì)導(dǎo)則明確適合此部位的材質(zhì),據(jù)了解選用304不銹鋼材質(zhì),使用時(shí)間最多也是2個(gè)大修周期。

        從宏觀檢查可以看到,送檢管束外壁均布滿(mǎn)黑色腐蝕產(chǎn)物,上層管束積垢嚴(yán)重,并且垢層下存在明顯的腐蝕坑,分析是重沸器殼程上部空間出現(xiàn)了雜質(zhì)的沉積結(jié)垢,并發(fā)生了腐蝕。結(jié)垢應(yīng)是NH4HS在重沸器上部發(fā)生了析出,同時(shí)伴有其他雜質(zhì)性元素。腐蝕是殼程中的介質(zhì)H2S或生成的NH4HS導(dǎo)致,從能譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蝕坑內(nèi)外均含有一定量的S元素可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。塔底部的氨液循環(huán)使用,使得NH4HS鹽不斷積聚,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)腐蝕加劇[1]。在垢下發(fā)生的局部腐蝕主要是介質(zhì)中的腐蝕物質(zhì)NH4HS腐蝕和H2S的腐蝕環(huán)境,其腐蝕會(huì)在局部產(chǎn)生并向縱深發(fā)展,直到穿孔。

        從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看,該重沸器不具有氣相蒸發(fā)空間,氨水經(jīng)蒸汽加熱后會(huì)在重沸器上部形成部分氣態(tài),表現(xiàn)為氣液兩相混合狀態(tài),重沸器上部管束長(zhǎng)期處于氣液相混合狀態(tài),氣泡對(duì)上部管束沖擊形成很多點(diǎn)腐蝕,尤其在折流板附近發(fā)生渦流,氣蝕加劇,且氣相中腐蝕性介質(zhì)腐蝕管束外表面,導(dǎo)致泄漏。如果上部有一定的氣相蒸發(fā)空間,會(huì)大大減少對(duì)管束的沖擊腐蝕。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜合上述分析,由于重沸器殼程介質(zhì)中含有NH3、H2S、水等組份,其在上部生成NH4HS鹽,本身具有較強(qiáng)的腐蝕性。而且由于重沸器沒(méi)有氣相空間,氣液兩相混合狀態(tài)對(duì)管束表面有沖擊,存在沖刷腐蝕;其次,在一定條件下,NH4HS鹽會(huì)在氣液空間中大量析出,沉積在管束表面,造成管束表面結(jié)垢,NH4HS在垢下會(huì)發(fā)生濃縮,導(dǎo)致局部的腐蝕加?。煌瑫r(shí)H2S、水蒸汽等也會(huì)在垢下具有一定腐蝕作用?;谏鲜龆喾矫嬉蛩?,隨著時(shí)間的推移,垢下的蝕坑逐漸加深加大,最終導(dǎo)致重沸器管束發(fā)生穿孔泄漏。

        5 建議

        (1)近期整改建議:更換新管束,管束型式稍改進(jìn),取消折流板中部擋板,增加氣相流動(dòng)空間,減少氣蝕的發(fā)生;

        (2)遠(yuǎn)期整改建議:需要考慮重新設(shè)計(jì)重沸器,優(yōu)化結(jié)構(gòu),增大氣相的蒸發(fā)空間,同時(shí)找到更合適的材質(zhì);

        (3)工藝操作允許的情況下,對(duì)重沸器殼程介質(zhì)注軟化水,稀釋NH4HS鹽濃度。

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