焦?fàn)t煤氣管道腐蝕原因與預(yù)防措施的探討

左祖華

（武鋼集團(tuán)鄂鋼公司能源動(dòng)力廠，湖北鄂州 436002）

焦?fàn)t煤氣管道腐蝕原因與預(yù)防措施的探討

左祖華

（武鋼集團(tuán)鄂鋼公司能源動(dòng)力廠，湖北鄂州 436002）

焦?fàn)t煤氣管道通常會(huì)出現(xiàn)腐蝕與堵塞情況，從化學(xué)、電化學(xué)、氧腐蝕等方面分析了焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁的腐蝕原因，探討了減緩焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的措施。

焦?fàn)t煤氣管道；腐蝕原因；防腐措施

1 引言

鄂鋼使用焦?fàn)t煤氣管道是從20世紀(jì)70年代開始的。1975年后隨著4座32孔2.8 m下噴復(fù)熱式焦?fàn)t投產(chǎn)運(yùn)行，企業(yè)內(nèi)部的鍋爐、煉鋼、煉鐵、燒結(jié)、軋鋼等生產(chǎn)工序相繼使用了焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣管道也遍布了全廠。隨著企業(yè)的發(fā)展，從2003年開始，鄂鋼在原址上進(jìn)行了較大規(guī)模的技術(shù)改造，經(jīng)過幾年的努力，將年產(chǎn)100萬t鋼的生產(chǎn)能力擴(kuò)展到年產(chǎn)500萬t鋼的規(guī)模，相應(yīng)的焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)也幾乎重新設(shè)計(jì)和配套改造，為了使新一輪的焦?fàn)t煤氣管道更有防腐性能，我們對(duì)已使用20年以上的老區(qū)域的焦?fàn)t煤氣管道的腐蝕、堵塞狀況進(jìn)行了認(rèn)真的觀察和分析，探討其腐蝕的原因，汲取其教訓(xùn)，進(jìn)一步采取相應(yīng)的防腐措施，以延長(zhǎng)新一輪焦?fàn)t煤氣管道的使用壽命。

2 焦?fàn)t煤氣管道的腐蝕和堵塞狀況

2.1 焦?fàn)t煤氣凈化系統(tǒng)管道腐蝕、堵塞狀況

原焦化系統(tǒng)采用的煤氣凈化工藝是：荒煤氣—→ 汽液分離器—→ 直管初冷器—→煤氣風(fēng)機(jī)—→ 電捕焦油器—→木格洗萘塔（水洗萘）—→木格洗氨塔—→木格洗苯塔—→凈煤氣

觀察管道的堵塞情況：從汽液分離器后至洗苯塔前的焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)存積有少量的萘、焦油渣等固體沉積物，其體積不超過整個(gè)管道截面積的2%～3%。觀察其腐蝕情況：雖然老焦?fàn)t煤氣管道系統(tǒng)已使用20～25年以上，但管道內(nèi)壁腐蝕比較均勻，管道底部出現(xiàn)點(diǎn)蝕凹坑不多，腐蝕程度不是很嚴(yán)重。腐蝕和堵塞情況最好的部位是煤氣風(fēng)機(jī)后至木格洗奈塔前的這段管道。這段管道的運(yùn)行工況是：焦?fàn)t煤氣經(jīng)煤氣風(fēng)機(jī)加壓，煤氣被壓縮升溫10～15℃，在這段管道內(nèi)煤氣溫度不易達(dá)到露點(diǎn)溫度，冷凝水不易結(jié)露析出，萘也不易結(jié)晶沉積在管道底部。

2.2 接近用戶的焦?fàn)t煤氣主管的堵塞、腐蝕情況

接近鍋爐房、軋鋼等用戶的焦?fàn)t煤氣主管內(nèi)存積有大量的萘、甲苯不溶物等固體沉積物，沉積物的體積一般占管道截面積的10%以上，有的達(dá)到30%左右，管道腐蝕也很嚴(yán)重，與固定沉積物相接觸的管壁，產(chǎn)生很多凹坑，有的部位接近蝕穿，有的部位已經(jīng)蝕穿。從管道的斷面進(jìn)行觀察，管道的下部腐蝕狀況比上部腐蝕狀況嚴(yán)重。

2.3 被腐蝕的焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)存在一定量的硫化亞鐵（FeS）

2004年10月5日晚8：30左右，鄂鋼煤氣防護(hù)人員按規(guī)程操作鍋爐房附近第二混合站平臺(tái)上?600眼鏡閥，當(dāng)松開眼鏡閥螺栓時(shí)，地面指揮人員首先聽到煤氣外竄的聲音，接著看到離眼鏡閥1.5 m左右的部位出現(xiàn)一道細(xì)小火星，緊接著出現(xiàn)煤氣燃燒，產(chǎn)生大量的火焰，造成燒傷一人。事后分析：焦?fàn)t煤氣夾帶著含有FeS的細(xì)小固體顆粒吹向1.5 m外的裸露過熱蒸汽管道（實(shí)測(cè)管壁溫度330℃左右）上，首先引發(fā)了分散的FeS細(xì)小顆粒在過熱蒸汽管壁上著火，在黑暗的夜幕下，呈現(xiàn)在地面指揮人員眼前的是一道似化纖衣服放靜電的細(xì)小火星，然后達(dá)到焦?fàn)t煤氣著火溫度（500℃）時(shí)，將焦?fàn)t煤氣迅速點(diǎn)燃，造成煤氣著火傷人事故。

2009年8月21日，架空在管架上的已報(bào)廢割斷的?800焦?fàn)t煤氣管道出現(xiàn)了冒煙現(xiàn)象，相關(guān)人員迅速趕往現(xiàn)場(chǎng)采取措施，并進(jìn)行了原因分析。經(jīng)分析，是由于報(bào)廢的焦?fàn)t煤氣管道中存積有大量的萘、FeS、Fe2O3、甲苯不溶物等雜物，由于氣溫偏高，固體物中水份蒸發(fā)干燥，F(xiàn)eS與空氣中的氧發(fā)生放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度集聚到FeS的自燃溫度時(shí)，F(xiàn)eS發(fā)生自燃，也說明了焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)存在有一定量的FeS固體物質(zhì)。

3 焦?fàn)t煤氣管道腐蝕原因探討

焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的部位可以是內(nèi)壁也可以是外壁，由于架空煤氣管道的外壁是防腐漆覆蓋層防腐（可以定期進(jìn)行涂漆防腐），在大氣（環(huán)境）腐蝕作用下（大氣中含有較多的SO2等腐蝕氣體外），管壁厚度減薄是均勻的。所以，從管道受到穿孔破壞的觀點(diǎn)來看，管道外壁腐蝕的危害性不大。在大氣環(huán)境下，焦?fàn)t煤氣管道的腐蝕主要來自內(nèi)壁腐蝕。下面我們探討焦?fàn)t煤管道內(nèi)壁腐蝕的原因。

3.1 煤氣中的H2S、HCN、CO2等腐蝕氣體與水共存時(shí)，對(duì)焦?fàn)t煤氣管道產(chǎn)生化學(xué)腐蝕

受焦?fàn)t煤氣凈化條件的限制或運(yùn)行管理的疏漏，煤氣中的H2S、HCN、CO2、O2、萘、甲苯不溶物、碳素等雜質(zhì)或多或少地殘存在煤氣中。當(dāng)環(huán)境溫度低于煤氣露點(diǎn)時(shí)，將導(dǎo)致煤氣管壁結(jié)露，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生冷凝水，在煤氣管道下部存積。煤氣中的H2S、HCN、CO2等腐蝕氣體就會(huì)與冷凝水共存，生成氫硫酸、氫氰酸、碳酸，對(duì)焦?fàn)t煤氣管道產(chǎn)生酸的化學(xué)腐蝕[1]。

3.2 焦?fàn)t煤氣管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕，并生成FeS固體物質(zhì)，是焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的主要原因

（1）電化學(xué)腐蝕機(jī)理

腐蝕是物質(zhì)與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，從而造成物質(zhì)破壞或性質(zhì)變化。更確切地說，腐蝕是金屬在特定環(huán)境下，由于化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而受到的破壞。在冷凝水存在的區(qū)域發(fā)生的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕[2]。在焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)，存在有一定的冷凝水，所以焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁發(fā)生的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。也就是說，由于焦?fàn)t煤氣中的腐蝕介質(zhì)是離子導(dǎo)體，除了化學(xué)反應(yīng)外，還有電子流動(dòng)，從而產(chǎn)生從高電勢(shì)到低電勢(shì)的電流。電化學(xué)腐蝕機(jī)理如圖1。

圖1 金屬的電化學(xué)腐蝕圖

從圖1可看出，電化學(xué)腐蝕回路由4部分構(gòu)成：陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)溶液和外電路。電解質(zhì)溶液為酸性或中性水溶液，電子從陽(yáng)極金屬A經(jīng)由外電路流向陰極金屬B，氫離子在陰極吸收電子形成氫氣，陽(yáng)極金屬失去電子生成金屬離子，直接造成金屬破壞。

（2）焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁發(fā)生電化學(xué)腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式

焦?fàn)t煤氣中的H2S、HCN、CO2等腐蝕氣體與冷凝水共存生成氫硫酸、氫氰酸和碳酸。氫硫酸、氫氰酸、碳酸在水溶液中發(fā)生電離，形成電解質(zhì)（電介質(zhì)溶液）。焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁表面與電介質(zhì)結(jié)合的界面上就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成FeS而沉積于管壁上。其反應(yīng)式如下：

H2S?H++HS

HS-?H++S2-

H2CO3?HCO3-+H+

HCO3-?CO3-2+H+

HCN?H++CN-

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e

陰極：2H++2e→H2↑

Fe2++S2-→FeS↓

硫化亞鐵（FeS）是焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁發(fā)生電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)物。

3.3 焦?fàn)t煤氣中的氧也會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生一定的氧腐蝕

焦?fàn)t煤氣中含有少量的氧（一般＜1%），與管道內(nèi)壁接觸時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵繼續(xù)與煤氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鐵。從而造成管壁的腐蝕。

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e

陰極：O2+H2O+2e→2OH

Fe+O2+H2O→Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

3.4 焦?fàn)t煤氣中的萘結(jié)晶析出以及甲苯不溶物等固體物質(zhì)沉積于管道內(nèi)導(dǎo)致煤氣管道堵塞，冷凝水不易排出，是造成焦?fàn)t煤氣管道產(chǎn)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕加劇的重要條件。

焦?fàn)t煤氣中殘存有少量的萘、焦油、甲苯不溶物，管道內(nèi)的焦?fàn)t煤氣隨環(huán)境溫度變化，或多或少會(huì)有冷凝水、萘、焦油渣、甲苯不溶物等物質(zhì)析出并存積在管道底部，這些固體物質(zhì)會(huì)影響管道內(nèi)的冷凝水排出，導(dǎo)致焦?fàn)t煤氣中的H2S、HCN、CO2與水共存生成氫硫酸、氫氰酸和碳酸，繼而發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。從實(shí)際觀察焦?fàn)t煤氣管道腐蝕與堵塞的狀況，二者的相關(guān)性很強(qiáng)，堵塞嚴(yán)重的焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的程度就嚴(yán)重，腐蝕的面積也較大；FeS也越高，暴露在大氣中，越易發(fā)生自燃。相反，焦化煤氣風(fēng)機(jī)至洗萘塔之前的焦?fàn)t煤氣管道，固體沉積物很少，腐蝕程度就很輕。

3.5 焦?fàn)t煤氣在管道內(nèi)的流速也會(huì)對(duì)腐蝕速率產(chǎn)生一定的影響

接近鍋爐等用戶的焦?fàn)t煤氣主管，因距煤氣風(fēng)機(jī)很遠(yuǎn)，主管壓力相對(duì)較小，客觀上會(huì)造成煤氣固體物逐漸析出的速度增大，特別是如果設(shè)計(jì)煤氣流速就偏小，用戶使用煤氣時(shí)用時(shí)開，用量時(shí)大時(shí)小，造成煤氣在管道內(nèi)的流速不均勻，有時(shí)會(huì)很小，甚至為零，必將加劇焦?fàn)t煤氣中固體雜質(zhì)的析出，堵塞加重，腐蝕也加重。

4 預(yù)防焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的措施

隨著鄂鋼產(chǎn)能的擴(kuò)大，焦?fàn)t煤氣管道的直徑越來越大，對(duì)生產(chǎn)和安全的影響必將增大，為了保證新一輪的焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，我們對(duì)技改中的焦?fàn)t煤氣管道從設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)運(yùn)行管理等多方面采取了措施。

4.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理

（1）根據(jù)不同區(qū)域的焦?fàn)t煤氣管道和設(shè)計(jì)院一起，設(shè)計(jì)不同的合理的安全經(jīng)濟(jì)流速，以達(dá)到管道阻力小，煤氣中的固體雜質(zhì)不易析出的目的。

（2）焦?fàn)t煤氣管道的坡度一定要達(dá)到規(guī)范要求，便于焦油、冷凝水的流動(dòng)和排出。

（3）根據(jù)管網(wǎng)布置情況，在合理的部位設(shè)計(jì)合理數(shù)量的排水器，便于排水器的管理和冷凝液排出暢通。

4.2 加強(qiáng)施工管理

（1）強(qiáng)化焦?fàn)t煤氣管道在制造、施工質(zhì)量的檢查和管理，盡量杜絕可能產(chǎn)生的焊縫夾渣、咬邊、弧坑、未焊透、焊縫表面粗糙等缺陷，盡量使管道內(nèi)外平滑，降低粗糙度，減少煤氣中的冷凝水、萘等雜質(zhì)在粗糙的凹坑處沉積。

（2）按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。

（3）強(qiáng)化焦?fàn)t煤氣管道的防腐涂料和涂敷施工質(zhì)量管理，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行涂敷材料的驗(yàn)收、鋼管除銹、涂層質(zhì)量等全過程的管理。對(duì)于大直徑焦?fàn)t煤氣管道的內(nèi)壁，最好也設(shè)計(jì)涂敷防腐層防腐。根據(jù)腐蝕原因分析，要防止焦?fàn)t煤氣管道的腐蝕和堵塞，在煤氣管道內(nèi)壁涂敷防腐層，以隔絕鐵基體與腐蝕介質(zhì)接觸是必要的。

4.3 選用先進(jìn)的焦?fàn)t煤氣凈化工藝并加強(qiáng)運(yùn)行管理

鄂鋼現(xiàn)有4座55孔6 m焦?fàn)t，兩套煤氣凈化工藝都選用以下工藝流程：

荒煤氣—→氣液分離器—→橫管初冷器—→電捕焦油器—→煤氣風(fēng)機(jī)—→預(yù)冷塔—→脫硫塔—→終冷塔—→洗苯塔—→凈煤氣

上述煤氣凈化工藝是一個(gè)比較成熟而先進(jìn)的工藝，從設(shè)計(jì)源頭將煤氣中的H2S、HCN、奈、焦油等堵塞、腐蝕介質(zhì)控制在較好指標(biāo)內(nèi)，在實(shí)際運(yùn)行中加強(qiáng)管理，確保凈化工藝的正常運(yùn)行，凈煤氣中的雜質(zhì)就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求：H2S＜0.2 g/m3、HCN＜0.5 g/m3、焦油＜0.05 g/m3，萘：夏季＜0.1 g/m3、冬季＜0.05 g/m3，從根本上減緩焦?fàn)t煤氣管道的堵塞和腐蝕。

4.4 加強(qiáng)對(duì)焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)的運(yùn)行管理，特別是強(qiáng)化管道中的冷凝水和堵塞物排出的管理。排水器、排水閥要定期清掃、排水設(shè)施保證完好，確保冷凝水排出暢通。

4.5 在條件允許下，根據(jù)焦?fàn)t煤氣管道堵塞情況，定期進(jìn)行清掃也是必要的。

5 結(jié)論

（1）電化學(xué)腐蝕是焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁腐蝕的主要原因，氫硫酸、氫氰酸、碳酸的化學(xué)腐蝕以及氧的腐蝕也會(huì)對(duì)管道腐蝕產(chǎn)生一定的影響。冷凝水和固體雜物沉積于管道內(nèi)，是造成焦?fàn)t煤氣管道腐蝕的重要條件。

（2）在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中加強(qiáng)管理，確保焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)的冷凝液及固體雜物迅速排出，并對(duì)大直徑焦?fàn)t煤氣主管內(nèi)壁采取涂敷防腐層等措施，可以大大地降低焦?fàn)t煤氣管道內(nèi)壁的腐蝕速率，延長(zhǎng)使用壽命。

[1]傅積和，余存華，林密華等.化纖化工設(shè)備防腐蝕[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1985.

[2]加藤正義（著），伍學(xué)高（譯）.金屬防腐技術(shù)[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

Causes of Corrosion of Coking Gas Pipes and Preventive Measures

ZUO Zuhua
(Echeng Iron and Steel Company of WISCO,Ezhou,Hubei 436002,China)

Corrosion and blockage often occur in coking gas pipes.Causes of corrosion in the internal wall of coking gas pipes are analyzed from the aspects of chemistry,electro-chemistry and oxygen corrosion.

coking gas pipe;causes of corrosion;anti-corrosion measure

TQ547.8

B

1006-6764(2014)03-0023-03

2014-01-24

左祖華（1956－），男，大學(xué)本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事焦化、燃?xì)鈱I(yè)技術(shù)工作。