李世偉 楊蘭蘭

（1.中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540；2.杭州一達(dá)環(huán)?？萍甲稍兎?wù)有限公司，浙江 杭州 322200）

某石化廠加氫裂化胺處理裝置液化氣脫硫采用常規(guī)的醇胺法脫硫，其脫硫劑為N-甲基二乙醇胺（MDEA），MDEA再生復(fù)原性較好，不易與硫醇、噻吩反應(yīng)生成噁唑從而使溶劑失效［1-2］。由于胺處理裝置多為碳鋼材質(zhì)，所以在裝置運(yùn)行過程中H2S帶來的腐蝕問題嚴(yán)重，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備、管道的減薄、穿孔，甚至?xí)斐晌锪系男孤丁⒀b置的非計(jì)劃停車，嚴(yán)重影響裝置生產(chǎn)的正常運(yùn)行；腐蝕產(chǎn)物會(huì)引起脫硫劑發(fā)泡和降解［3］，使脫硫劑損耗增加，導(dǎo)致裝置能耗增加。胺處理裝置腐蝕比較嚴(yán)重的部位主要有再生塔、重沸器、貧富液換熱器及高溫富液管線，其中再生塔是脫硫裝置中腐蝕最嚴(yán)重的設(shè)備。近幾年該裝置脫硫再生塔DA-952（Z）塔底再沸器出口至再生塔的直徑600 mm彎頭出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕泄漏現(xiàn)象，造成裝置非正常停工。在此主要采用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，對(duì)腐蝕彎頭從腐蝕孔洞、減薄規(guī)律等維度分析腐蝕原因，提出解決措施，確保裝置長(zhǎng)周期的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 脫硫再生塔基本情況

1.1 脫硫再生塔系統(tǒng)工藝流程

脫硫再生塔DA-952（Z）主要處理來自FA-953的含有高濃度硫化氫的富MDEA物料。該物料進(jìn)入脫硫再生塔DA-952（Z），塔底通過蒸汽再沸器EA-953（Z）加熱物料，脫除其富液中的硫化氫，塔頂氣相經(jīng)EA-952（Z）冷卻后，進(jìn)入FA-957（Z）回流罐，罐中氣相硫化氫送至界外硫磺生產(chǎn)裝置進(jìn)行回收，冷凝下來的液體經(jīng)GA-954（Z）泵進(jìn)行全回流，塔底經(jīng)過再生后的貧溶液經(jīng)EA-951（Z）熱交換后循壞使用。

1.2 脫硫再生塔系統(tǒng)腐蝕情況

脫硫再生塔DA-952（Z）于1998年投入使用。2016年前后脫硫再生塔DA-952（Z）塔底再沸器EA-953（Z）出口至再生塔的直徑600 mm彎頭出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕泄漏現(xiàn)象，造成裝置非正常停工，給生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行帶來了困擾。脫硫再生塔DA-952（Z）塔底再沸器EA-953（Z）是臥式熱虹吸式結(jié)構(gòu)［3］，貧液介質(zhì)走殼程，蒸汽介質(zhì)走管程，如圖1所示。當(dāng)貧液在再沸器中汽化后，在其入口和出口就會(huì)形成一定的壓力差，使得物料可以在不借助泵的情況下就能夠完成整個(gè)循環(huán)過程，即依靠再沸器中的汽液兩相混合物和塔釜中的液體之間的密度差提供推動(dòng)力，進(jìn)而形成熱虹吸式運(yùn)動(dòng)。該600 mm彎頭2016年泄漏后進(jìn)行了更換，并做了加強(qiáng)鋼板貼表處理，運(yùn)行過程中定期對(duì)導(dǎo)淋進(jìn)行排放檢查泄漏情況，約1年后進(jìn)行了整體更換，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕非常嚴(yán)重。

圖1 臥式熱虹吸式再沸器EA-953（Z）

2 脫硫再生塔再沸器返塔管線腐蝕機(jī)理分析

針對(duì)再沸器EA-953（Z）返塔管線彎頭的腐蝕情況，對(duì)腐蝕彎頭的材質(zhì)與機(jī)械性能進(jìn)行分析，研究腐蝕孔洞分布、孔徑分布和厚度分布等規(guī)律，利用流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬數(shù)據(jù)，從物理和化學(xué)兩個(gè)角度入手，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，分析彎頭的腐蝕失效機(jī)理。

2.1 材質(zhì)與機(jī)械性能分析

腐蝕彎頭的泄漏是由穿孔引起的，排除彎管自身可能存在的質(zhì)量問題，對(duì)彎頭進(jìn)行材質(zhì)組分分析，分析結(jié)果如表1所示。從表1可知：彎頭中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，其余元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合要求。另外，在彎頭失效位置附近取樣，進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示，所取樣品的下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)試結(jié)果均正常，彎頭的機(jī)械性能正常。

表1 腐蝕彎頭材質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成 %

表2 失效彎頭機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

2.2 腐蝕孔洞分析

彎頭內(nèi)壁腐蝕形貌為典型的蜂窩狀，腐蝕孔洞呈規(guī)整的圓形，且孔徑不一。為了深入研究彎頭的腐蝕失效機(jī)理，掌握腐蝕孔洞的分布規(guī)律，對(duì)孔徑進(jìn)行了測(cè)量和分析。以彎頭采樣孔為中心，自上至下間距分別取為15 cm、10 cm、10 cm、15 cm，將彎頭內(nèi)壁分為4部分，具體如圖2所示。

圖2 區(qū)域劃分示意

經(jīng)過對(duì)實(shí)物的測(cè)量和分析可知：完整規(guī)則的腐蝕孔洞共有103個(gè)，其中最大孔徑為21.1 mm，最小孔徑為7.76 mm。分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分腐蝕孔洞的直徑分布在16～19 mm，但也有少量孔洞的直徑超過20 mm?？v向比較發(fā)現(xiàn)：彎頭中部區(qū)域（區(qū)域②和區(qū)域③）平均孔徑較大，超過19 mm的腐蝕孔洞數(shù)量最多；彎頭邊緣區(qū)域（區(qū)域①和區(qū)域④）孔徑相對(duì)較小。孔徑最大的腐蝕孔洞21.1 mm，這表明當(dāng)孔徑達(dá)到或超過21.1 mm時(shí)，該孔洞周圍區(qū)域就可能逐漸發(fā)展成為完全破壞區(qū)。

2.3 減薄規(guī)律分析

除了腐蝕孔洞的分布規(guī)律外，內(nèi)壁的減薄規(guī)律分布也是反映彎頭腐蝕失效機(jī)理的重要規(guī)律。為獲得腐蝕彎頭的腐蝕減薄規(guī)律，對(duì)彎頭內(nèi)壁進(jìn)行分區(qū)域取樣。以采樣孔為中心，將取樣區(qū)域劃分為4排，由上至下依次編號(hào)為1～4；每排隔15 cm取一個(gè)樣品，從左至右依次編號(hào)為1～8。具體取樣情況如圖3所示。

圖3 取樣方案示意

取樣時(shí)首先使用氣割機(jī)將整個(gè)彎頭內(nèi)壁取下，為保證樣品理化性質(zhì)不發(fā)生改變，后續(xù)取樣過程使用電鋸、等離子切割和手鋸?fù)瓿?，樣品大小控制? cm×3 cm左右。隨后，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品的厚度。為了確保數(shù)據(jù)的精確性與有效性，采用多次測(cè)量求平均值的方法，每個(gè)樣品從不同角度測(cè)量4次，求平均值。經(jīng)過分析，第1排和第2排樣品的減薄規(guī)律具有一致性。在彎頭進(jìn)口附近，樣品厚度等于管壁初始厚度，即該區(qū)域并無明顯腐蝕行為；沿流體流動(dòng)方向腐蝕逐漸加劇，在完全破壞區(qū)腐蝕量達(dá)到最大；隨后壁厚又有逐漸減小的趨勢(shì)，達(dá)到極小值以后，腐蝕量又有所增加。第3排和第4排樣品因未穿過完全破壞區(qū)，所以厚度連續(xù)分布，即沿流動(dòng)方向厚度逐漸減小，腐蝕量逐漸增加，且從入口至出口增加速率呈遞減趨勢(shì)。第3排和第4排樣品的最小厚度都分布在彎頭出口附近，且均在4.5 mm左右。

2.4 腐蝕分布規(guī)律分析

將測(cè)量孔徑時(shí)的區(qū)域劃分示意圖與測(cè)量壁厚時(shí)的取樣方案示意圖進(jìn)行整合，如圖4所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)圖4中的第一排在位置上均位于腐蝕孔洞分析部分中的區(qū)域②的邊緣，第二、三排在位置上均位于區(qū)域③。

圖4 孔徑測(cè)量與壁厚測(cè)量方案示意

根據(jù)下彎頭無明顯的腐蝕現(xiàn)象可以得出沖刷作用在彎頭的失效過程中占主導(dǎo)地位，純電化學(xué)腐蝕的作用并不明顯，上彎頭腐蝕孔洞主要由沖刷對(duì)電化學(xué)腐蝕的促進(jìn)而產(chǎn)生。綜合考慮腐蝕孔洞和壁厚分布的分布情況，可以認(rèn)為在彎頭中部區(qū)域（區(qū)域②和區(qū)域③）的孔徑大小和腐蝕厚度都要明顯大于周圍區(qū)域，這說明該部分區(qū)域的沖刷磨損速率與電化學(xué)腐蝕速率比周圍區(qū)域大。腐蝕孔洞的大小與密集程度反映了該位置總電化學(xué)腐蝕速率的大小，在區(qū)域②和區(qū)域③的總電化學(xué)腐蝕速率，即純電化學(xué)腐蝕和沖刷促進(jìn)電化學(xué)腐蝕的總速率要明顯大于周圍區(qū)域。

2.5 CFD仿真模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，收集脫硫再生塔塔底再沸器返塔管線上彎頭的運(yùn)行工藝參數(shù)，表3為塔底胺液分析數(shù)據(jù)。通過Aspen Plus軟件對(duì)彎管內(nèi)部多相流動(dòng)的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用Workbench中的Mesh對(duì)彎管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊際條件，數(shù)據(jù)見表4。實(shí)施CFD數(shù)據(jù)模擬，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面展開分析。

表3 塔底胺液分析數(shù)據(jù)

表4 彎管進(jìn)口流體的性質(zhì)和組成

2.5.1 定性分析

從CFD仿真模擬情況來看，流體對(duì)管道的壓力和氣液相速度在彎頭處最大，并且在該位置變化最嚴(yán)重，因此彎頭相對(duì)于直管更容易受損。在彎頭外側(cè)，壓力很大，但相應(yīng)的速度很??；而彎頭內(nèi)部壓力很小，但流體速度最大。這是因?yàn)楫?dāng)流體流入彎頭時(shí)，流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化，沿橫斷方向會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，在離心力的作用下彎頭外壁產(chǎn)生壓應(yīng)力，形成對(duì)彎管內(nèi)壁的牽引力，使外壁的流體動(dòng)能在很大程度上轉(zhuǎn)換為墻壁上的壓力，導(dǎo)致流體在外壁上產(chǎn)生很大的壓力，因此速度降低。

從氣體壁剪切力分布情況來看，彎曲處的壁面剪切變化最大，內(nèi)側(cè)的壁面剪切力大于外面。根據(jù)壁面剪切應(yīng)力理論來指示流動(dòng)腐蝕，彎管內(nèi)壁的腐蝕速率應(yīng)高于外壁的腐蝕速率。彎頭內(nèi)壁應(yīng)首先泄漏，但這一結(jié)論與實(shí)際情況相反。

從液滴相體積分?jǐn)?shù)的分布情況來看，液滴相的體積分?jǐn)?shù)在外彎處最大，這是因?yàn)楫?dāng)流體流過彎頭時(shí)，流體的流動(dòng)方向發(fā)生改變。由于離心力的作用，大量液滴將與彎頭的外壁碰撞。這里積聚了大量液滴，內(nèi)壁處液滴相的體積分?jǐn)?shù)變得非常小。由于液滴積聚在外壁上，液滴和外壁更容易傳質(zhì)，因此彎管的外壁更容易腐蝕。

2.5.2 定量分析

從彎管的沖刷速率的分布來看，直管內(nèi)沒有沖刷腐蝕，腐蝕位置主要集中在彎曲處。與彎頭內(nèi)壁的沖刷腐蝕量相比，外壁面容易發(fā)生沖刷腐蝕，但外壁面沖刷腐蝕的最大量為1.8 mm／a，這不足以引起彎頭部穿孔和4個(gè)月內(nèi)的失效。因此，沖刷腐蝕不是彎管失效的主要原因。

從流動(dòng)加速?gòu)澒艿母g速率分布分析，彎頭處是高風(fēng)險(xiǎn)腐蝕區(qū)域的發(fā)生部位，并且直管中腐蝕很輕微，外壁加速腐蝕的流量大于內(nèi)壁，因此外部彎管壁更容易被腐蝕破壞。外壁面最大腐蝕量為40 mm／a，對(duì)于壁厚為10 mm的彎管，約3個(gè)月左右腐蝕穿孔。模擬結(jié)果與實(shí)際情況一致，因此，流動(dòng)加速腐蝕是彎頭失效的主要原因。

3 改進(jìn)措施

通過對(duì)彎管腐蝕的定性和定量分析可知，彎管腐蝕的主要因素是流動(dòng)加速腐蝕，而流動(dòng)加速腐蝕與彎管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)有很大的關(guān)聯(lián)。為了緩解腐蝕帶來的影響，在彎管外側(cè)加一層多孔板，當(dāng)流體充滿板上的小孔后起到了類似“柔性氣墊”的作用，吸收了部分流體對(duì)管壁的沖擊能量，從而起到對(duì)彎管管壁的保護(hù)作用，達(dá)到緩解腐蝕的目的。

3.1 增加多孔板對(duì)彎管的影響

在彎頭外側(cè)管壁內(nèi)側(cè)加一塊厚度為10 mm的多孔板，孔徑為5 cm，孔間距為6 cm，孔數(shù)目為126。增加多孔板后，流通面積變小，使得流體速度有了小幅提升，最大速度由18.618 m／s提升至19.370 m／s，而彎管外側(cè)管壁受到的壓力也由51.98 Pa上升到55.20 Pa。結(jié)合壁面剪應(yīng)力分析，在添加了多孔板后，壁面剪切應(yīng)力集中在多孔板孔對(duì)應(yīng)的位置，且壁面剪切應(yīng)力相比較與未加多孔板有了大幅度減小。利用可變形組件（DPM）模型對(duì)腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，加了多孔板后腐蝕區(qū)域變得更小，分布更為均勻，均集中在孔對(duì)應(yīng)的管壁位置，但是由于流通面積的減小導(dǎo)致流速增加，使得整體的腐蝕速率與原始狀態(tài)下的腐蝕速率相近，但局部腐蝕速率增加了4倍左右。

3.2 不同孔徑下多孔板對(duì)彎管的影響

將孔徑由5 cm縮小至3 cm、1 cm、0 cm，來探究多孔板孔徑對(duì)腐蝕情況的影響。當(dāng)改變多孔板的孔徑后，速度和壓力的大小以及分布情況幾乎不受影響，說明改變孔徑對(duì)流體在彎管內(nèi)的流動(dòng)情況并無影響。通過分析加多孔板后剪切應(yīng)力分布可以了解到，當(dāng)多孔板上不打孔時(shí)，彎管外側(cè)管壁受到里面板的保護(hù)，流體對(duì)彎管外壁面的剪切應(yīng)力以及腐蝕速率均為0；當(dāng)孔徑為1 cm時(shí)，最大剪切應(yīng)力為5×10-2Pa，腐蝕速率的分布也較為平均，最大腐蝕速率下降至1.271×10-3mm／a；當(dāng)孔徑為3cm時(shí)，最大剪切應(yīng)力為2.886×10-2Pa，最大腐蝕速率為9.696×10-4mm／a；當(dāng)孔徑為5cm時(shí)，壁面受到的剪切應(yīng)力和腐蝕速率均增大，最大剪切應(yīng)力為7×10-2Pa，最大腐蝕速率為1.255 mm／a，腐蝕速率迅速增大并超過不加多孔板原始狀態(tài)下的腐蝕速率。

綜上所述，增加多孔板后對(duì)彎頭整體的腐蝕情況有所緩解，并通過對(duì)多孔板孔徑以及多孔的腐蝕情況進(jìn)行分析得出：當(dāng)多孔板孔徑為3 cm時(shí)，對(duì)彎管本身腐蝕情況有較好的緩解，同時(shí)多孔板自身受到的腐蝕情況也較為均勻，多孔板的壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。

4 結(jié)論

由于操作工況的復(fù)雜性、工藝介質(zhì)的腐蝕性及設(shè)備的材質(zhì)問題等原因，造成設(shè)備和管線嚴(yán)重的沖刷腐蝕，直接影響了生產(chǎn)的正常與安穩(wěn)運(yùn)行。通過對(duì)脫硫再生塔塔底再沸器返塔管線彎頭腐蝕機(jī)理分析，提出有效的改進(jìn)措施，達(dá)到緩解腐蝕的目標(biāo)。

（1）脫硫再生塔塔底再沸器返塔管線彎頭腐蝕失效主要原因是流動(dòng)加速腐蝕，電化學(xué)腐蝕在腐蝕孔洞的形成過程中占主導(dǎo)作用。

（2）增加多孔板后對(duì)彎頭整體的腐蝕情況有所緩解，多孔板孔徑為3 cm時(shí)，可有效緩解彎管本身腐蝕，多孔板的壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。