加氫裝置高壓空冷器的腐蝕與防護(hù)

張偉東，孫 濱

(1.中國(guó)石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101;2.蘭州金峰包裝制品有限公司，甘肅 蘭州 730060)

高壓空冷器是石化行業(yè)，加氫裝置關(guān)鍵配套的冷換設(shè)備，具有高溫、高壓和臨氫的特點(diǎn)。在高溫、高壓氫氣流的沖刷腐蝕下，易發(fā)生泄漏失效，造成非計(jì)劃停車(chē)。某煉油廠渣油加氫裝置有A和B 兩列，處理量為3.1 Mt/a。裝置每列設(shè)有一臺(tái)第一空冷器，材質(zhì)為lucoloy825，第二空冷器有4 臺(tái)，材質(zhì)為10 號(hào)鋼。其中B 列第二空冷器襯管部位曾在2012 年底出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致B列裝置停產(chǎn)，置換合格后更換空冷器。

1 高壓空冷器簡(jiǎn)介

第二空冷器相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。第二空冷器共有3 管程，6 排管。每一管程入口端內(nèi)襯純鈦管，規(guī)格為φ18 mm ×0.75 mm，長(zhǎng)度為500 mm。襯管與換熱基管的連接采用高溫黏結(jié)劑加兩端貼脹的方法。每臺(tái)翅片管共有267 根。

表1 第二空冷器主要技術(shù)參數(shù)

2 高壓空冷器運(yùn)行情況

渣油加氫裝置共有A 和B 兩列，每年運(yùn)行周期為8 400 h，裝置可實(shí)現(xiàn)單開(kāi)單停，停工期間更換催化劑，保證催化裂化裝置原料的供應(yīng)。

2012 年B 列第二空冷器G 臺(tái)出現(xiàn)襯管部位滲油情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定停工更換空冷器。從圖1 中可以明顯看出在翅片處有滲漏的汽泡。2013 年檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在2012 年更換的空冷器入口襯管大部分脫出，現(xiàn)場(chǎng)用銅棒復(fù)位后再用脹管器補(bǔ)脹。

3 高壓空冷器渦流檢測(cè)情況

渣油加氫裝置中的反應(yīng)流出物系統(tǒng)，介質(zhì)為H2、油、水和NH4HS 等，壓力一般在15.0 MPa 左右，設(shè)備失效后泄漏、爆管的危害嚴(yán)重，有時(shí)會(huì)造成裝置停工或人身傷害。實(shí)踐表明該類(lèi)空冷器失效的基本原因?yàn)?加氫原料油中的S 和N 經(jīng)加氫反應(yīng)后生成的H2S 和NH3冷卻后反應(yīng)生成NH4HS，其水溶液在不同的濃度和不同的溫度及不同的流速下產(chǎn)生垢下腐蝕、沖刷腐蝕或二者重疊和交替作用而導(dǎo)致設(shè)備失效。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多套加氫裂化裝置的REAC 管束多次出現(xiàn)泄漏爆管事故，嚴(yán)重威脅裝置的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

圖1 高壓空冷滲漏部位

在2013 年大修期間，利用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)其余7 臺(tái)第二空冷器進(jìn)行抽檢。實(shí)際檢測(cè)列管90根(總長(zhǎng)度1 080 m)，其中201-A-102F 抽測(cè)24根，201-A-102G 抽測(cè)24 根，201-A-102H 抽測(cè)42 根。

檢測(cè)方位:面對(duì)設(shè)備入口側(cè)(北側(cè)管箱)，以上面為第一排，從上向下計(jì)排數(shù)，每排從左至右計(jì)管數(shù)。其中第1，2，5 和6 排的襯管在設(shè)備管程介質(zhì)的入口側(cè)，第3 和第4 排在另一側(cè)。

圖2 高壓空冷現(xiàn)場(chǎng)管束方位圖

渦流探傷:大部分襯管有內(nèi)壁信號(hào)，是內(nèi)壁沖刷腐蝕信號(hào)。另外襯管上共發(fā)現(xiàn)9 根襯管有明顯的外壁缺陷信號(hào)，2 根雜亂信號(hào)。具體管號(hào)見(jiàn)表2。

表2 渦流探傷結(jié)果

襯管及過(guò)渡區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)異常腐蝕減薄信號(hào)，但201-A-102G 的襯管比另外兩臺(tái)的襯管厚，分析可能是原始就厚。襯管下基管共發(fā)現(xiàn)9 根列管有腐蝕減薄信號(hào)，具體管號(hào)見(jiàn)表3。

表3 腐蝕減薄位置

從圖3 中可以看出空冷201-A-102H 的管號(hào)2-36 明顯存在減薄信號(hào)。根據(jù)渦流檢測(cè)情況來(lái)看，碳鋼管束在襯管部位存在明顯缺陷。加之，此高壓空冷已連續(xù)運(yùn)行7 a，考慮下一周期要運(yùn)行4 a，為保證裝置安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，確定將剩余7臺(tái)空冷全部更換掉。

4 高壓空冷運(yùn)行的工藝條件

第二空冷器入口溫度為243 ℃，出口溫度為45 ℃，壓力為15.3 MPa。在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)連續(xù)注水，每列注水量為15 t/h，注水的性質(zhì)為凈化水，其相關(guān)性質(zhì)見(jiàn)表4;中石化煉油防腐細(xì)則要求指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5;冷高分酸性水分析情況見(jiàn)表6。由表4 和表5 對(duì)比可以看出正常注水的水質(zhì)滿(mǎn)足注水指標(biāo)要求。

圖3 渦流檢測(cè)到減薄信號(hào)與正常信號(hào)對(duì)照?qǐng)D

表4 酸性水分析數(shù)據(jù)(2013 年) mg/L

表5 注水水質(zhì)指標(biāo) μg/g

表6 冷高分酸性水分析情況(2013 年) mg/L

加氫裝置高壓空冷器的選材及流速設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依據(jù)Kp 值的大小進(jìn)行。Kp=［H2S］×［NH3］

式中:Kp——物流的腐蝕系數(shù);

［H2S］——物流中H2S 摩爾分?jǐn)?shù)，%

［NH3］——物流中NH3摩爾分?jǐn)?shù)，%

空冷管束選用碳鋼基管，Kp 值應(yīng)設(shè)計(jì)控制在以下范圍:Kp 不大于0.07，最高流速控制在9.3 m/s;Kp 為0.1～0.5，流速為4.60～6.09 m/s?？刂屏魉偕舷逓榱吮苊鉀_刷腐蝕，控制流速下限為避免結(jié)垢。

當(dāng)Kp 值上升，即超過(guò)0.5 時(shí)，介質(zhì)最大允許流速下降，最小允許流速上升，被認(rèn)可的流速為上述流速范圍內(nèi)更窄的一段范圍，這時(shí)的工藝設(shè)計(jì)是不謹(jǐn)慎且不完善的，應(yīng)考慮在控制適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)流速下增加注水以降低物流腐蝕系數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物中的NH4HS 摩爾分?jǐn)?shù)小于2%，空冷器進(jìn)出口管道對(duì)稱(chēng)布置，管內(nèi)流體流速控制在3.0～6.0 m/s，并且注水量和質(zhì)量都滿(mǎn)足要求時(shí)，管束可選用碳鋼管束。否則應(yīng)選用825 合金鋼或雙相不銹鋼。一般奧氏體不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕的性能較差，不宜選用［1］。

5 防范措施

5.1 做好連續(xù)注水工作

加氫裝置原料中富含S 和N 的化合物，并在加氫反應(yīng)器中轉(zhuǎn)變成H2S 和NH3，同時(shí)該系統(tǒng)存在HCl，在隨后冷卻過(guò)程中反應(yīng)生成NH4Cl和NH4HS，在缺少液態(tài)水的情況下，NH4Cl 和NH4HS 會(huì)直接由氣相冷凝變成固態(tài)晶體。通常NH4Cl 的結(jié)晶溫度在176～204 ℃，故其結(jié)晶常在空冷前的換熱器中開(kāi)始;而NH4HS 結(jié)晶溫度約在26～65 ℃，因此NH4HS 結(jié)晶常發(fā)生在空冷器中，從而導(dǎo)致空冷器系統(tǒng)的堵塞。為了防止堵塞，通常需在高壓空冷的上游注水。雖然沖洗水能有效地防止堵塞，但會(huì)形成高腐蝕性的NH4HS 水溶液，進(jìn)而問(wèn)題由堵塞變成腐蝕。由于NH4HS 溶液的存在，介質(zhì)的流速受到很大制約，流速太大會(huì)發(fā)生沖蝕，流速太小又易堵塞，并形成垢下腐蝕。在注水操作的研究中普遍認(rèn)為，注水量的大小應(yīng)該使注水處的液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于25%［2］。

5.2 管程入口處襯316L 管

最早設(shè)計(jì)襯管材質(zhì)為鈦管，目前材質(zhì)更換為316L。襯管位于每排翅片換熱管的入口處，連接方式為脹接。從流速變化來(lái)看，襯管尾部結(jié)構(gòu)為直角時(shí)，流體擾動(dòng)最為嚴(yán)重，流體出現(xiàn)明顯的減速，出口附近管壁處有明顯漩渦出現(xiàn)，且影響距離較大。襯管尾部結(jié)構(gòu)為45°倒角和1∶10 錐度過(guò)渡時(shí)，流體擾動(dòng)極弱，尤其1∶10 錐度過(guò)渡結(jié)構(gòu)幾乎看不出擾動(dòng)現(xiàn)象［3］。

5.3 注多硫化鈉緩蝕劑

多硫化鈉主要成分為Na2S4是一種紅棕色的液體，主要用于減緩煉油廠加氫精制高壓管線、高壓空冷器的腐蝕。加注多硫化鈉后，多硫化鈉先與器壁或管壁反應(yīng)，在表面上生成FeS 致密保護(hù)膜，從而對(duì)設(shè)備或管線有一定的保護(hù)作用。多硫化鈉與NH3及其它氨類(lèi)化合物反應(yīng)生成多硫化銨，減少了NH4HS 和NH4Cl 的結(jié)垢及凝液沉積，從而抑制了腐蝕［4］。

5.4 操作方面注意事項(xiàng)

不能根據(jù)空冷出口溫度調(diào)整空冷風(fēng)機(jī)的開(kāi)停，必須保持全開(kāi)或增設(shè)空冷風(fēng)機(jī)變頻器，用變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制每片空冷出口溫度均勻。

［1］侯芙生.中國(guó)煉油技術(shù)(第三版)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2011:404.

［2］Piehl R.Survey of corrosion in hydrocracker effluent air coolers［J］.Materials Performance，1976，15(1):15-20.

［3］劉偉.加氫裂化裝置空冷器管束襯管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油煉制與化工，2009，40(2):48-51.

［4］任曉光，盧志剛，宣征南，等.控制加氫裂化高壓空冷器垢下腐蝕的方法探索.［J］石油煉制與化工，2007，38(10):46-49.