表面蒸发式空冷器管束泄漏原因分析及解决方案

1表面蒸发式空冷器管束泄漏原因分析及解决方案摘要：重整产物空冷器在运行过程中出现管束泄漏问题，针对泄漏的原因进行细致分析，通过水箱加缓蚀剂，管束材质升级等手段进行处理，保证了空冷器的安全平稳运行，为解决同类型的设备问题提供了参考依据。关键词：表面蒸发空冷器腐蚀缓蚀剂一、前言连续重整装置采用法国IFP公司的第二代连续重整专利技术。以直馏石脑油及经加氢处理后的焦化石脑油为原料,生产高辛烷值汽油组分，同时为下游对二甲苯装置提供部分原料，副产的氢气为现有的加氢精制装置提供氢气原料。装置由中国石化北京设计院设计，设计能力为400kt／a，2002年9月投产试车。2005年以来，装置开始出现重整产物空冷器A-201冷却效果变差，冷后温度无法保证装置满负荷的情况下的工艺卡片指标（45℃），装置被迫低负荷运行。2006年重整产物空冷器其中的一组A-201C管束又出现泄漏，装置被迫紧急停工进行空冷器的抢修。二、空冷器系统流程流程如图1所示，重整第四反应器（R-204）来的反应产物进入重整产物空冷器（A-201）冷却，冷却产物进入产物分离罐（D-201）进行气液分离，分离效果直接影响装置心脏设备重整循环氢压缩机（K-201）的正常运行，该空冷器运行状况对于提高重整反应负荷及降低装置能耗尤为关键。Fig.1A-201工艺系统流程三、空冷器设备结构及参数空冷器制造厂家为甘肃蓝科石化设备制造公司，具体设计参数如表1所示：Table1重整产物空冷器参数表规格型号ZP3X3-24-290-1.6S-F-F结构形式表面蒸发空冷器介质HC＋H2操作压力0.28Mpa操作温度进/口：100/40℃有效面积（每片）290m²总热负荷6750kW空冷管束材质碳钢空冷器主要组成部分为：风机、干空冷（翅片管）、喷淋管、湿空冷（光管）、水箱、管道泵。具体如图2所示：Fig.2表面蒸发空冷平面图四、空冷器腐蚀原因分析1、空冷器湿空冷光管外壁腐蚀问题A-201管束内的介质为重整汽油和氢气的混合物，介质比较干净，不存在腐蚀问题，腐蚀的重点主要放在湿空冷光管部分。从空冷湿空冷光管图片来看，光管外壁结垢严重，存在黄褐色的垢蚀物，具体见图3。Fig.3湿空冷管束外壁垢蚀情况我们对空冷底部水箱水质进行了化验分析，R－204A-201ABCDK-201D－201E－201风机干空冷喷淋管湿空冷水箱管道泵2具体见表2分析数据。Table2空冷水箱水质分析项目数据PH6.51浊度mg/L20.59电导us/cm30钙硬mg/L22.35碱度mg/L13.91总铁mg/L5.35总固mg/L52溶固mg/L44悬浮物mg/L82、腐蚀原因分析：通过表2空冷水箱水质的化验分析结果，经过理论公式计算，该冷却水的水质稳定系数为10.65，属于腐蚀性水。连续重整空冷使用的喷淋水是重复使用的炼油厂凝结水，从理论上说，蒸汽凝结水是纯净的、高品质的水，不会对其载体产生腐蚀，但在实际应用中，蒸汽中或多或少都含有杂质，特别是工业用蒸汽中含有不少杂质气体，在蒸汽凝结过程中溶入凝结水中，同时在凝结水的输送过程中也会溶入一定的气体，对凝结水的载体----换热设备及输送管道产生腐蚀，产生氧腐蚀的前提条件是凝结水中必须有O2，凝结水中O2的来源有二个，一是蒸汽中含有一定量的O2，在凝结过程中溶入凝结水中，二是在喷淋的过程中溶入大量的O2，连续重整空冷冷却水系统为开式系统，凝结水箱直通大气，凝结水中氧腐蚀的形式都是氧去极化腐蚀，其腐蚀产物随着载体材质的不同而不同。凝结水的输送管道一般是钢制管材，其腐蚀产物是铁的氧化物，其反应方程式如下：阳极反应：Fe→Fe2++2e，阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-以上反应的产物Fe2+在水中会与相关物质进一步进行反应，其过程：Fe2++2OH-→Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O以上腐蚀产物中，Fe(OH)2在有氧的条件下是不稳定的，可以转变为α-FeOOH、γ-FeOOH或Fe3O4。α-FeOOH的颜色是黄色的，γ-FeOOH的颜色是橙色的，Fe3O4的颜色是黑色的。Fe(OH)3是表示三价铁的氢氧化物，化学组成实际上并不像其化学式那么简单，常常是各种含水氧化铁的混合物，可以写成Fe2O3·nH2O或Fe2O3。Fe2O3又有α-Fe2O3和γ-Fe2O3之分，α-Fe2O3的颜色是砖红至黑色，γ-Fe2O3的颜色是褐色，受污染的凝结水的颜色是红褐色，且腐蚀越严重，颜色越深，就是因为凝结水中含有以上腐蚀产物。凝结水的氧腐蚀属于溃疡腐蚀，腐蚀发生后在金属的表面形成一个个鼓包，直径从1mm～30mm不等，鼓包的表面是黄褐色到砖红色，由上述的各种氧腐蚀产物组成，去除这些腐蚀产物后，金属的表面是一个个腐蚀坑。凝结水氧腐蚀一旦形成，就很难阻止腐蚀过程的继续，其原因是在腐蚀点上由于腐蚀产物的阻挡，水中溶解氧扩散到这一点的速度减慢，形成了腐蚀点四周O2的浓度大于腐蚀点上O2的浓度，腐蚀点四周成为阴极，腐蚀点（金属表面某点）成为阳极。阳极（Fe）的腐蚀中被消耗，其产物——Fe2+会缓慢地通过腐蚀产物向溶液中扩散，与溶液中的相关物质继续反应，产生新的腐蚀产物，氧腐蚀这样继续下去。凝结水中的酸性物质主要是溶入凝结水中的CO2形成弱电解质----H2CO3，H2CO3分解为H+和HCO3-，CO2进入凝结水后形成碳酸（H2CO3）。H2CO3是一种弱酸，在水中电离的H+不多。但凝结水是比较纯净的水，含盐量小，缓冲性差，即使像H2CO3这样的弱酸也会使PH值有较大的下降。当纯水中CO2为1mg/L时，纯水的PH值由7.0降至5.5。同时随着H+在腐蚀中不断消耗,电离平衡被打破，反应向右进行，不断电离出H+供腐蚀反应使用，直至H2CO3消耗完毕，CO2腐蚀的腐蚀产物是易溶的，不会沉积在金属表面，所以CO2腐蚀是均匀腐蚀，不会形成保护膜。五、腐蚀问题的解决方案1、针对凝结水腐蚀的原因和特征，对症下药对凝结水腐蚀进行防与治。加入缓蚀剂等相关水处理药剂，减少或消除凝结水中的CO2和O2气体，减缓凝结水对空冷管束的腐蚀。2、该空冷器无进出口隔断阀，泄漏后存在装置停工的风险，为保证装置长周期运行需利用大检修在空冷出入口安装割断阀和跨线，防止腐蚀后无法切除而造成装置停工。3、列入设备材质升级计划，在有资金的时候，对管束进行材质升级。3第2、3两项需要停工以后具备检修条件才能实施，加入缓蚀剂等相关水处理药剂必须立即实施。①确定水质处理的目标湿式空冷需要解决的主要问题是腐蚀速率控制。选用由多元醇磷酸脂为主体的全有机加锌复合水处理配方，在软化水中具有很好的缓蚀阻垢性能。配合定期投加杀菌剂对微生物进行控制。力争使水箱的水质达到合格，标准见表3。Table3水箱水质合格标准分析项目单位控制指标分析频次PH自然浓缩次/天总磷mg/l10-15次/天浊度mg/l＜20次/天电导率us/cm自然浓缩次/天铁mg/l＜3次/天异养菌个/ml＜1×105次/月碳钢腐蚀速率mm/a≤0.100次/月②水箱加药处理方案按照表4要求对水箱进行加药处理。Table4水箱加药表加药项目药物名称加药量加药周期阻垢缓蚀剂KF-574200mg/l控制总磷：10-15mg/L停止杀菌剂KF-5155kg周一杀菌剂KF-5055kg周四③加药后效果验证加药后我们对水质进行了再次分析，从结果上来看，通过加药大大提高了水箱水的质量，具体数据见表5。Table5水质处理后分析表项目单位数据外观－较清澈PH－7.81总磷mg/117.67异养菌个－铁离子mg/11.75我们在加药前后用碳钢挂片做了挂片腐蚀分析，进行了称重计算出年腐蚀速率，从结果上来看，通过加药大大降低了空冷管束的腐蚀速率，具体数据见表6。Table6加药前后腐蚀速率对照表单位数据加药前mm/a0.607加药后mm/a0.0558六、总结1、连续重整空冷是从2007年7月18日开始加药，加药初期，由于系统初排水较大，造成总磷波动较大，控制困难，而这期间加药效果并不明显，腐蚀速率仍然偏高。后来根据化验结果，经过不断摸索调整加药量及加药频率，现已基本能达到要求，而腐蚀率也有了非常明显的下降。2、2006年8月连续重整装置检修期间，将重整产物空冷器A201A/B/C/D湿式部分更换为不锈钢（0Cr18Ni10Ti）材质，耐腐蚀性大大提高。3、2006年8月连续重整装置检修期间，在空冷出入口安装了割断阀和跨线，保证了异常状况下可以应急切除处理。4、重整产物空冷器湿式部分材质升级以后，停止了水箱加药。但为保证设备长周期运行，车间每周换水两次，对水箱进行定期排水，减少水解O2的浓度。为监控设备的腐蚀速率，车间每月对水箱水质进行一次化验分析，监控铁离子浓度，积累数据。参考文献：［1］化工总厂炼油厂主编．炼油厂设备的腐蚀与防腐[M]．北京：石油工业出版社，I979［2］化工设备管理协会设备防腐专业组．石油化工装置设备腐蚀与防护手册[M]、北京：中国石化出版社，1996［3］朱日彰，等．金属腐蚀学[M]．北京：冶金工业出版社，1988