水环真空泵内部腐蚀原因分析及改进措施

液环真空泵腐蚀原因分析及改进措施苗方（中海石油化学股份有限公司，海南东方572600）摘要：针对液环真空泵内部腐蚀的现象，详细分析了腐蚀的原因，重点介绍了二氧化碳腐蚀的机理及影响因素，根据分析结论提出了防范措施。关键词：液环真空泵；腐蚀；二氧化碳中海石油新材料有限公司采用中科院长春应用化学研究所的专利技术，进行二氧化碳综合利用开发,通过将二氧化碳与环烷烃聚合反应加工生产成新型的生物可降解塑料。装置于2008年12月建成竣工并开始试车，后经过多次技改于2010年年底打通流程产出合格产品。该装置催化剂干燥系统真空泵（VP-145）经过长时间运行后，真空系统真空压力逐渐升高，后对该泵进行检修，打开该泵检查发现内部叶轮叶片和泵体内壁之间的间隙变大，叶片表面和泵体内壁表面由于腐蚀而变薄。由于腐蚀改变了真空泵的构造，使泵效率下降，催化剂干燥系统真空度很难建立，严重影响了催化剂的干燥效果，随即公司技术人员针对泵的腐蚀原因进行了分析。1、液环真空泵工作原理在泵体中装有适量的液体作为工作液，如图一所示，当叶轮按图中顺时针方向旋转时，液体被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，液体形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。液环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，液环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在液环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与液环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相图一水环真空泵工作原理示意图等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。2、真空干燥系统工艺流程催化剂真空干燥系统工艺流程图如图二所示：DR-145是干燥器，图二真空干燥系统工艺流程图工作时干燥器夹套通热水，真空泵运行建立真空，干燥器通过加热和抽真空来对里面的催化剂进行干燥。真空泵VP-145为液环真空泵，所用工作介质为脱盐水，当VP-145运行时投用管网中的脱盐水，1″二氧化碳气体管道是调节真空度的补气管道。按照真空泵的技术指标要求，泵吸入口压力（即系统压力）要控制在20KPa以上，真空泵启动后，通过调节泵入口气体二氧化碳的流量大小（FG-145）来控制系统的压力在要求范围之内。即在该泵运行时脱盐水投用，连续进入到VP-145中，经过叶轮和泵壳从分离器排到水回收系统，管网中的气体二氧化碳连续投用，从泵的排气管线排出。从泵的机构可知：二氧化碳和脱盐水都与叶轮充分接触，二氧化然和脱盐水充分接触，脱盐水和泵壳内壁充分接触。3、可能存在的腐蚀原因3.1、微量催化剂的腐蚀该工艺所用催化剂溶于水后对金属有腐蚀性，干燥系统工作后，特别是真空泵刚启动时，可能会有部分催化剂粉尘被真空泵抽到泵内，催化剂在泵内遇脱盐水溶解。根据该装置的特点，在设备运行稳定后，催化剂粉尘则不会被抽走，该真空泵运行时脱盐水是连续加入，连续排出的，微量催化剂进入泵内，溶解在水中，应该很快被稀释、排走，置换干净，腐蚀不可能很严重，初步分析可以排除催化剂的腐蚀。3.2、真空泵汽蚀的影响液环真空泵的汽蚀现象：液环真空泵在工作时，在一定温度下，当低压处（泵吸入区域）的压力低于在该温度下的液环工作介质汽化压力（即饱和蒸汽压）时，液体开始汽化而产生汽泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区（出口区域）时，气泡液化为水滴，汽泡破裂，在原来汽泡的位置形成局部真空，此时周围液体迅速填充原汽泡空穴，瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面。这种汽泡的产生、发展和破裂现象就称为汽蚀，其原理和普通离心泵的气蚀原理是相同的。在液环真空泵的工作过程中，吸入区域的压力与被抽系统的压力是一致的。当吸入区域的绝对压力越接近液体的饱和蒸汽压时，液体越接近沸腾状态。泵发生汽蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，以及伴随的强烈水击，而产生噪声和振动，可以听到像爆豆似的劈劈啪啪的声音。液环真空泵发生汽蚀腐蚀的部位主要是真空泵的叶轮，特别是叶轮的根部，在叶轮表面出现点蚀现象，严重的会出现蜂窝状损坏，一般不会腐蚀泵壳的内壁。VP-145运行时按照操作规程要求，系统真空压力一般控制在20KPa（绝压）以上，后期由于泵内腐蚀的原因，泵效率下降，真空压力控制在35KPa（绝压）以上。所用脱盐水一般是33～35℃，假设脱盐水在泵内升温后，温度到55℃（实际没这么高，做最坏情况计算），查文献这三个温度点对应的饱和蒸汽压分别是：温度（℃）333555对应饱和蒸汽压绝压（KPa）5.0305.62315.731对比可知，实际操作中系统的绝对压力要高于该温度下水的饱和蒸汽压，不会产生汽蚀现象。在早期开车过程中曾经发生过汽蚀，由于操作人员对汽蚀不是很了解，为了增加干燥效果操作时真空度调的太低，导致发生汽蚀，噪音很大，就象有小石头在泵内搅动一样。这种现象发生后，技术人员及时查明原因，并规定操作时把绝对压力必须维持在20KPa（绝压）以上，以后也没有发生过汽蚀现象，结合泵内件腐蚀情况，泵汽蚀的原因也可以排除。3.3、二氧化碳的腐蚀该真空泵在运行时，为了调节真空度，在泵的入口管线充入了CO2气体，根据文献介绍［1］CO2干气本身不具有腐蚀性，但当其溶于水后对部分金属材料有极强的腐蚀性,由此而引起的材料破坏统称为CO2腐蚀。CO2在水介质中能引起钢铁迅速的全面腐蚀和严重的局部腐蚀。在有水环境下，二氧化碳对钢材的腐蚀和时间成正比。3.3.1二氧化碳腐蚀的机理根据文献资料介绍在常温无氧的CO2溶液中，钢的腐蚀速率是受析氢动力学所控制。CO2在水中的溶解度很高，一旦溶于水便形成碳酸，释放出氢离子。氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还原，促使阳极铁溶解而导致腐蚀：阳极反应：Fe→Fe2++2e-阴极反应：CO2+H2O→H2CO3，H2CO3→H++HCO3-2H++2e-→H2反应产物：Fe+H2CO3→FeCO3+H2二氧化碳腐蚀破坏行为在阴极和阳极处表现不同，在阳极处铁不断溶解导致了均匀腐蚀或局部腐蚀，表现为金属设施与日俱增的壁厚变薄或点蚀穿孔等局部腐蚀破坏；在阴极处二氧化碳溶解于水中形成碳酸，释放出氢离子［2］。上述腐蚀机理是对裸露的金属表面而言的，在实际过程中，随着二氧化碳腐蚀的进行，金属表面将被腐蚀产物膜所覆盖，腐蚀产物膜一旦形成，腐蚀速度将受膜的结构、厚度、稳定性及渗透性等性能所控制。3.3.2二氧化碳腐蚀的影响因素3.3.2.1温度的影响温度是CO2腐蚀的重要影响因素［3，4］.研究表明:当温度低于60℃时,钢铁表面生成不具保护性的少量松软且不致密的FeCO3,腐蚀随温度升高而增大，腐蚀速率在60℃附近达到极大值,此时腐蚀为均匀腐蚀;在60～110℃之间时,腐蚀产物FeCO3溶解度随温度升高而降低,此时形成的FeCO3膜虽然比较疏松,但当其在钢片表面附着时,对钢片具有一定的保护性,因而在该温度区域内,腐蚀速率随温度增加而降低。当温度＞110℃时，均匀腐蚀的速率显著增大,局部腐蚀非常严重,金属表面出现许多大的凹槽,槽内覆盖有腐蚀膜,呈现出沟壑纵横的状态，这是由于高温下,生成疏松FeCO3膜存在较大孔或缝隙,引起了小孔腐蚀缝隙腐蚀等严重的局部腐蚀,使金属腐蚀相当严重。当温度高于150℃时，腐蚀产物细腻、紧密、附着力强，分析其中含有磁性氧化铁生成，具有一定的保护作用，于是腐蚀率随温度升高而下降。3.3.2.2二氧化碳分压的影响二氧化碳分压是二氧化碳腐蚀的直接影响因素［5］。一般认为当二氧化碳分压低于21KPa时，腐蚀可以忽略不记；当二氧化碳分压达到21KPa时，腐蚀将要发生；一般当二氧化碳分压低于50KPa时，不存在点蚀造成的破坏。对于普通钢和低合金钢，腐蚀速率可用De.Waard和Milliams的“最坏情况”经验公式［6］来计算：lgv=0.67lgPco2+C该方程式表明了腐蚀速率(v)与二氧化碳分压(Pco2)及温度校正系数(C)的关系，从式中可知CO2腐蚀速率随CO2分压增加而增大,该公式在一定条件范围内的可靠性已得到了证明。当二氧化碳分压低于200KPa且温度低于60℃时，测量结果与计算结果基本一致；在较高的二氧化碳分压和温度条件下，测得的腐蚀速率一般低于该公式的计算结果，主要是因为腐蚀产物膜的影响。3.3.2.3流速的影响流速增大使H2CO3和H+等去极化剂更快的扩散到金属表面,使阴极去极化增强,消除了扩散控制,同时使腐蚀产生的Fe2+迅速离开腐蚀金属的表面,这些作用使腐蚀速率增大.流体流动状态下,流速对钢铁表面产生切向作用力.切向作用力可能会阻碍金属表面保护膜的形成或对已形成的膜起破坏作用,使腐蚀加剧［2］。3.3.2.4腐蚀产物膜的影响良好的腐蚀产物膜可以大大降低腐蚀速率，腐蚀产物膜的组成、结构及形态受介质的组成、PH值、二氧化碳分压、温度、流速等诸多方面因素的影响。当钢表面无腐蚀产物膜或有无保护性的腐蚀产物膜时，则钢将按照De.Waard［6］的经验公式以“最坏情况”的腐蚀速率被均匀腐蚀；当钢表面的腐蚀产物膜不完整或被损坏、脱落时，会诱发局部点蚀而导致严重的穿孔破坏；当钢表面生成的是完整、致密、附着力强的稳定性腐蚀产物膜时，可以降低均匀腐蚀速率［2］。4、腐蚀原因分析结果液环真空泵（VP-145）运行时CO2连续通入，并且在泵内和水充分接触混合，泵内液体的温度为40-55℃；真空泵工作时二氧化碳在泵内分压范围为20-40KPa；CO2通入真空泵时流速不高，由于泵内叶轮的旋转而使液体和二氧化碳具有较高的流速，根据上述CO2腐蚀特点可知这些因素都促进了二氧化碳对泵的腐蚀。综合以上三种可能腐蚀情况的论述，可以肯定地判断真空泵（VP-145）被腐蚀的主要原因应是二氧化碳腐蚀。5、采取的改进措施首先联系厂家对该泵进行维修，修好后对真空泵采取防腐措施,根据分析的结果该真空泵腐蚀的原因为二氧化碳腐蚀，防止二氧化碳腐蚀的措施很多，由于该真空泵运行时耗气量不高，装置内部有可用的氮气，公司结合装置实际情况决定把通入的二氧化碳气体改为氮气。6、小结该真空泵系统经过简单维修改造后，运行稳定，取得了预期的效果，在后来的运行中没有发生过腐蚀现象，说明腐蚀原因和解决方法是正确的。［参考文献］［1］李鹤林,白真权,李鹏亮,等.模拟CO2/H2S环境中APIN80钢的腐蚀影响因素研究[A].第二届石油石化工业用材研究会论文集[C].成都:2001，101-104.［2］李鹤林.关于CO2腐蚀与防护问题[R].昆明：2009.［3］HeuerJK,StubbinsJF.AnXPSCharacterizationofFeCO3filmsfromCO2corrosion[J].CorrosionScience,1999，(41):1231-1243.［4］陈墨.关于CO2对常用管道金属腐蚀的研究[J].石油和化工设备，2006，（3）：43.［5］王志龙，艾俊哲，梅平，等.二氧化碳对钢腐蚀的影响因素研究［J］.油气田环境保护，2004，11（1）：49.［6］C.deWaard,D.E.Millians.Corrosion.1975,31:131.作者简介：苗方（1977-），男，大学本科毕业，河南人，工程师，从事化工生产管理、高效肥料的研究与开发工作。E-mail：[e-mail]地址：海南省东方市珠江南大街1号中海石油化学股份有限公司高效肥料研究室（稿件事宜）联系电话：[phone]。