加氫裝置的腐蝕分析和選材防腐

李 黎

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加氫裝置的腐蝕分析和選材防腐

李 黎

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

加氫技術(shù)的飛速發(fā)展和加氫原料的劣質(zhì)化使得加氫裝置的設(shè)備及管道腐蝕問(wèn)題愈顯突出，泄露等事故時(shí)有發(fā)生，合理的選材設(shè)計(jì)對(duì)加氫裝置的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行至關(guān)重要。首先分析了加氫裝置里典型的腐蝕類型，然后從選材角度給出了防護(hù)措施。

加氫；腐蝕；氫損傷；應(yīng)力開(kāi)裂

加氫技術(shù)是對(duì)石油產(chǎn)品進(jìn)行精制、改質(zhì)、生產(chǎn)清潔燃料的重要手段[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，加氫技術(shù)得到了中石化集團(tuán)的重視，各煉廠紛紛上馬加氫裝置，其裝置規(guī)模、加工能力都有了很大的提高。同時(shí)原油劣質(zhì)化趨勢(shì)日趨明顯，這表現(xiàn)在硫含量和酸值、氮和鹽的含量呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。加氫裝置的飛速發(fā)展和加氫原料的劣質(zhì)化使得加氫裝置的設(shè)備和管道的腐蝕問(wèn)題變得日趨嚴(yán)重。某石化加氫裂化裝置開(kāi)工3年來(lái)，空冷器已泄漏11次，這使企業(yè)在經(jīng)濟(jì)上蒙受了巨大的損失，同時(shí)也對(duì)工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求。本文對(duì)加氫裝置常見(jiàn)的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行一些總結(jié)，然后從選材角度等提出了一些防護(hù)措施。

1 高溫腐蝕

1.1 高溫氫損傷

加氫裝置的眾多設(shè)備和管道涉及使用高溫高壓氫氣，易出現(xiàn)高溫氫損傷。高溫氫損傷是指在高溫高壓工況下擴(kuò)散到鋼中的氫原子與鋼材中的碳化物反應(yīng)，生成CH4氣體，CH4氣體聚集在空穴與夾雜處，導(dǎo)致鋼材的機(jī)械性能下降，最終導(dǎo)致鋼材斷裂[2]。氫損傷可分為四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、表面脫碳和氫腐蝕[3]。為了防止鋼材在臨氫環(huán)境下發(fā)生高溫氫損傷，工程設(shè)計(jì)上依據(jù)“納爾遜(Nelson)曲線”對(duì)設(shè)備及管道進(jìn)行選材[2]。該曲線最初是在1949年由G.A. Nelson[4,5]根據(jù)收集到的各種工業(yè)裝置和實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)繪制而成，在API RP941中提出了“納爾遜曲線”[2]?，F(xiàn)在的最新版本為2016年的修訂版，曲線如圖1所示。

圖1 納爾遜曲線

為安全起見(jiàn)，在使用Nelson曲線時(shí)，選材時(shí)的分析溫度應(yīng)在操作溫度基礎(chǔ)上加一定富裕量（比如28 ℃），分析壓力在操作基礎(chǔ)上加一定富裕量（例如0.345 MPa）。除選定材料種類以外，更重要的是配合提出制造、檢驗(yàn)技術(shù)條件等。僅從抗氫腐蝕角度出發(fā)，選用較多的材料是1.25Cr-0.5Mo，2.25Cr-1Mo,2.25Cr-1Mo-0.25V。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須針對(duì)材料和施工提出詳細(xì)的技術(shù)條件，包括材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接工藝、制造要求、堆焊技術(shù)規(guī)范等。

1.2 高溫硫化氫/氫氣腐蝕

原油的劣質(zhì)化尤其是硫含量的提高使得加氫裝置進(jìn)料一般都含有硫化合物（硫醇、硫化物、二硫化物、噻吩），在高溫、高壓、催化劑的條件下，它們被轉(zhuǎn)化成硫化氫。當(dāng)硫化氫與氫氣同時(shí)存在時(shí)，容易發(fā)生有氫存在的高溫硫化氫/氫氣（H2S/H2）腐蝕。易發(fā)生H2-H2S腐蝕的區(qū)域是：氫混合點(diǎn)下游的反應(yīng)器進(jìn)料段、反應(yīng)器、反應(yīng)器流出物、循環(huán)氫氣。在高溫下（>288 °C），硫化氫與金屬發(fā)生反應(yīng)，氫的存在往往會(huì)加快材料的硫化氫腐蝕速率。高溫H2S/H2腐蝕的腐蝕速率預(yù)測(cè)已經(jīng)取得了很多進(jìn)展。A.S. Couper和J.W. Gorman[6]在1971年提出了碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的高溫H2S/H2腐蝕速率曲線，這就是現(xiàn)在的庫(kù)珀-戈曼曲線，它在預(yù)測(cè)H2S/H2腐蝕速率方面得到了廣泛應(yīng)用。圖2給出了H2S/H2環(huán)境下碳鋼的腐蝕速率。

圖2 庫(kù)珀-戈曼曲線

2 銨鹽腐蝕

原油劣質(zhì)化的一個(gè)體現(xiàn)就是原油中硫化物、氮化物的含量增多，它們?cè)跓捰瓦^(guò)程中分別生成H2S、NH3，在一定條件下形成硫氫化銨腐蝕。

另外，隨著原油的劣質(zhì)化，氯含量也呈上升趨勢(shì)：一方面是原油本身的含氯量，另一方面原油在開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)有氯化物加入。在煉油過(guò)程中，氯化物會(huì)生成HCl，與氨反應(yīng)生成氯化銨，形成銨鹽腐蝕。近年來(lái)，銨鹽腐蝕成為加氫裝置尤其重視的腐蝕的問(wèn)題之一。銨鹽腐蝕本質(zhì)上是一種垢下腐蝕，造成設(shè)備管道腐蝕泄漏[7]。其中，氯化銨結(jié)晶主要出現(xiàn)在反應(yīng)系統(tǒng)流出物的換熱流程后部，結(jié)晶的氯化銨沉積在換熱管壁上，水解形成酸性溶液，引起垢下腐蝕和局部腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞換熱器管[8]。硫氫化銨結(jié)晶主要出現(xiàn)在高壓空冷器，硫氫化銨沉積在高壓空冷器換熱管壁上引起沖蝕和垢下腐蝕，影響腐蝕的主要因素是NH4HS的濃度和流速，流速低時(shí)為垢下腐蝕，流速過(guò)高時(shí)為沖刷腐蝕[2]。

1976年，Piehl對(duì)美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)（NACE）T-8-1[4]委員會(huì)“關(guān)于42套加氫裝置的研究及管系的腐蝕調(diào)查結(jié)果”進(jìn)行分析和評(píng)述，提出將流速、腐蝕因子（p=（H2S）mol% × (NH3)mol%）和含硫污水的NH4HS濃度作為控制銨鹽腐蝕的主要參數(shù)。美國(guó)石油學(xué)會(huì)針對(duì)NH4HS的腐蝕速率進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)果以表格形式在API RP 581中給出，如表1所示。根據(jù)p值、NH4HS濃度、流速可以估算碳鋼的腐蝕速率。硫氫銨腐蝕對(duì)流速很敏感[4]。當(dāng)流速大于6 m/s時(shí)，碳鋼管容易發(fā)生嚴(yán)重的沖蝕，除非工藝流體里的氨和硫化氫含量非常低。因此，采用碳鋼管的空冷器應(yīng)當(dāng)維持最大流速在6 m/s以內(nèi)。入口和出口管的管端都可以采用襯不銹鋼管，并采用錐形管端。對(duì)合金管，流速上限可以提高到9 m/s[9,1]。

表1 NH4HS環(huán)境下碳鋼的腐蝕速率表格

為了解銨鹽的腐蝕行為，首先要明確銨鹽的沉積規(guī)律。C. Scherrer等人[10]實(shí)測(cè)了NH4HS升華曲線，給出了固體NH4HS鹽在該類設(shè)備及管道中形成的物理?xiàng)l件，主要參數(shù)為溫度和H2S、NH3分壓的乘積，如圖3所示。

圖3 NH4HS結(jié)晶溫度曲線

曲線的陰影區(qū)域表明NH4HS存在析出的可能性?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算H2S和NH3的分壓，按曲線查出NH4HS的升華溫度，從而判斷NH4HS發(fā)生沉積的大致部位，指導(dǎo)選材[11]。Shargay C.A等人[12]測(cè)得了NH4Cl的升華曲線，如圖4所示，其分析使用方法和NH4HS的沉積曲線類似。

圖4 NH4Cl升華溫度曲線

3 環(huán)烷酸腐蝕

如果原料油含有高濃度的環(huán)烷酸，那么在一定溫度下的進(jìn)料管道和設(shè)備中，會(huì)發(fā)生環(huán)烷酸腐蝕。進(jìn)料的環(huán)烷酸濃度用總酸中和值（TAN）表示。大多數(shù)容易發(fā)生環(huán)烷酸腐蝕的部件在混氫點(diǎn)的上游，且操作溫度在232 °C至288 °C（450 °F至550 °F）的范圍內(nèi)[4]。存在湍流或有高速流動(dòng)的地方特別容易發(fā)生環(huán)烷酸腐蝕。通常酸值低時(shí)，表現(xiàn)為點(diǎn)蝕，酸值高時(shí)，表現(xiàn)為溝槽狀腐蝕；隨著溫度的升高，環(huán)烷酸的腐蝕速率也相應(yīng)的增加；當(dāng)流速過(guò)高時(shí)，環(huán)烷酸的腐蝕速率也會(huì)增加。[9]。在混氫點(diǎn)的下游、反應(yīng)器進(jìn)料管道、加熱爐管和換熱器管里，都沒(méi)有發(fā)生環(huán)烷酸腐蝕的報(bào)道。一些中試裝置數(shù)據(jù)表明，在第一個(gè)反應(yīng)器里，大部分環(huán)烷酸已經(jīng)被破壞。在某些高酸值（TAN>1.5）和高于232 °C（>450 °F）的溫度下，碳鋼、鉻-鉬鋼和某些300系列奧氏體不銹鋼能夠發(fā)生加速腐蝕。當(dāng)把材料等級(jí)提高到316L不銹鋼或其他高鉬合金（鉬含量>2%至3%），能夠增強(qiáng)合金抗環(huán)烷酸腐蝕的能力。

4 硫化物腐蝕

4.1 濕硫化氫開(kāi)裂

當(dāng)鋼材暴露在含有大約50×10-6或更多硫化氫的液體水時(shí)，就會(huì)發(fā)生這些類型的開(kāi)裂。反應(yīng)機(jī)理為：

Fe+H2S=FeS+2H

生成的氫滲透進(jìn)入金屬，引起開(kāi)裂。當(dāng)存在游離的氰化物時(shí)，能夠剝?nèi)eS保護(hù)膜，增加氫滲透的嚴(yán)重性。采用含有稀土元素的08、09鋼可以有效抵抗?jié)窳蚧瘹溟_(kāi)裂。

4.2 硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）

硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）主要發(fā)生在高強(qiáng)度的鐵素體或馬氏體鋼上。一般屈服強(qiáng)度超過(guò)621 N/mm2（90 000磅/平方英寸）時(shí)，或者硬度大于洛氏硬度（c）20至22時(shí)[2]，并且液態(tài)水和硫化氫同時(shí)存在時(shí)就會(huì)發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂。

在反應(yīng)器流出物系統(tǒng)中，包括流出物空冷器和分離器區(qū)域，這些部位最常發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂，因?yàn)槌浞掷鋮s后就形成了液體水。也有報(bào)告報(bào)道，在循環(huán)氫系統(tǒng)中和在有些蒸餾裝置塔頂系統(tǒng)中，也發(fā)生了硫化物應(yīng)力開(kāi)裂。

硬焊件也容易發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂，應(yīng)當(dāng)按照NACE-RP0472[4]實(shí)施焊接。在大多數(shù)濕的含硫使用條件下，應(yīng)當(dāng)按照此標(biāo)準(zhǔn)限制焊縫熔敷和熱影響區(qū)的硬度。碳鋼的焊接程序應(yīng)當(dāng)確保不超過(guò)220 HB。對(duì)低合金鋼，推薦的最大允許焊接硬度是225 HB。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前原油品質(zhì)呈現(xiàn)劣質(zhì)化趨勢(shì)，腐蝕問(wèn)題對(duì)加氫裝置的影響也越來(lái)越大。但只要我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)合理選材，操作時(shí)提高操作水平，做好注水注緩蝕劑等工藝措施，并采用在線腐蝕監(jiān)測(cè)、陰極保護(hù)、涂料防腐等手段，便能有效減緩設(shè)備和管道的腐蝕，確保加氫裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行[13]。

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Corrosion Analysis and Material Selection for Anti-corrosion in Hydrotreating Units

（Sinopec Engineering Incorporation, Beijing 100101，China）

The rapid development of hydrotreating technology and the inferior feed oil make corrosion problems of equipments and pipelines increasingly prominent in the hydrotreating plant. Leak accidents happen from time to time, affecting the running safety of the device. New requirements to the material selection of the hydrotreating unit were put forward. Common corrosion types in hydrotreating unit were analyzed, and then preventive measures were given.

hydrogenation; corrosion; hydrogen damage; stress cracking

TQ 050

A

1671-0460（2016）09-2150-04

2016-07-13

李黎（1982-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，工程師，工學(xué)碩士，2009 年畢業(yè)于北京化工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：從事煉油廠壓力容器設(shè)計(jì)及選材工作。E-mail：lili2@sei.com.cn，電話：010-84875210。