脫乙烷塔的腐蝕原因

李應(yīng)勇

(中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，湛江 524000)

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失效分析

脫乙烷塔的腐蝕原因

李應(yīng)勇

(中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，湛江 524000)

采用滲透法對(duì)某海上油田終端脫乙烷塔塔體外表面進(jìn)行檢測(cè)，塔體第一節(jié)至第四節(jié)筒體共發(fā)現(xiàn)56處裂紋，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行。通過(guò)微觀形貌觀察和化學(xué)成分分析等方法對(duì)脫乙烷塔裂紋產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行了探討，并提出了相應(yīng)的解決方法，保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。結(jié)果表明：塔體的失效形式為氯化物引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，主要是由于塔外保溫材料破損導(dǎo)致，可通過(guò)更換保溫材料或塔體材料等措施進(jìn)行預(yù)防。

脫乙烷塔；裂紋；腐蝕分析

脫乙烷塔是處理天然氣的壓力容器。某油田終端的脫乙烷塔于2003年投產(chǎn)，立式安裝，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，從一級(jí)低溫分離器分離出的冷凝液(-34 ℃)作為脫乙烷塔的下段進(jìn)料進(jìn)入脫乙烷塔，二級(jí)低溫分離器分離出的冷凝液(-60 ℃) 作為脫乙烷塔的上段進(jìn)料進(jìn)入脫乙烷塔。脫乙烷塔的塔頂溫度控制在-20 ℃，壓力1.7 MPa。塔頂分離出的C1、C2、C3餾分經(jīng)脫乙烷塔頂冷凝器冷卻到-32 ℃后，再進(jìn)入脫乙烷塔頂回流罐，這些冷凝液全部作為塔頂回流,由脫乙烷塔回流泵加壓到2.0 MPa后打回塔頂部。塔頂回流罐的冷凝氣進(jìn)入原料氣/燃料氣換熱器被加熱后，作為分子篩的再生氣，再生結(jié)束后去往配氣站作為透平發(fā)電機(jī)的燃料氣。塔底熱源由脫乙烷塔底重沸器提供，溫度控制在63 ℃。

脫乙烷塔體高28.6 m，下段直徑1 500 mm，上段直徑1 000 mm，塔體厚度為14 mm，設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度-65 ℃/10 ℃，材料為304奧氏體不銹鋼，總質(zhì)量約為20.1 t。2014年在對(duì)該塔進(jìn)行常規(guī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，下封頭上方四個(gè)筒節(jié)的塔體均出現(xiàn)裂紋。本工作對(duì)脫乙烷塔裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方法，以保證該裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1　裂紋檢測(cè)與分析

采用滲透檢測(cè)法對(duì)脫乙烷塔外表面進(jìn)行了檢測(cè)，標(biāo)注每個(gè)裂紋的位置，確定裂紋的分布及數(shù)量，獲得完整的數(shù)據(jù)，如圖2所示。對(duì)該塔外表面進(jìn)行滲透檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，裂紋主要分布于塔底上方的第一節(jié)至第四節(jié)的筒體處，共有56道裂紋，裂紋形貌特征相似，大致呈平行狀分布，長(zhǎng)10～500 mm，深0.3～12 mm。為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)脫乙烷塔主體材料進(jìn)行了形貌和成分分析，對(duì)塔體保溫材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析，同時(shí)對(duì)脫乙烷塔外部服役環(huán)境進(jìn)行了調(diào)研。

1.1主體材料

圖3為塔體外表面一處裂紋的宏觀形貌，在裂紋首尾位置取樣，記為1號(hào)和2號(hào)試樣。分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)裂紋試樣的表面、橫截面及裂紋開(kāi)裂處進(jìn)行形貌觀察和腐蝕產(chǎn)物組成分析，結(jié)果見(jiàn)圖4～7。

由圖4、5可知，表面裂紋以穿晶裂紋為主。裂紋起源于點(diǎn)蝕坑，有分叉現(xiàn)象，呈枯樹(shù)枝狀向深度方向擴(kuò)展。裂紋存在一個(gè)主裂紋和若干個(gè)分支裂紋，這是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要特征之一。由圖5可見(jiàn)，裂紋內(nèi)部存在一些腐蝕產(chǎn)物。裂紋開(kāi)裂處及裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖6(a)所示，對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物除了鐵、鉻、和鎳的氧化物之外，還含有少量的氯元素。對(duì)斷口的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行酸洗除銹，觀察斷口的顯微形貌，如圖7所示，斷口呈現(xiàn)河流花樣，具有明顯的脆性特征。

1.2塔體保溫材料

由于工藝要求，需將脫乙烷塔塔體進(jìn)行保溫。保溫材料選用硅酸鹽棉。施工工藝為：硅酸鹽棉按一定尺寸制成塊狀成品，安裝在塔體上，用鋼絲纏繞固定，外部再用鋼皮包裹密封?，F(xiàn)場(chǎng)情況表明，該塔上部溫度在-14 ℃以下，而在中下部的溫度則高達(dá)70 ℃，這說(shuō)明保溫材料的保溫效果不好。由于塔體上下溫度相差較大，長(zhǎng)期有冷凝水從塔體往外滲漏。

保溫材料中主要成分為氧、碳、硅元素，對(duì)裂紋處的保溫材料取樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。從EDS分析結(jié)果看，除氧、碳、硅等主要元素外，保溫材料中還含有部分氯元素以及微量的其他元素，這些元素應(yīng)該是來(lái)自大氣。

1.3氣候特點(diǎn)

該終端所屬島嶼氣候?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，四周海洋環(huán)繞。年平均降雨為1 380 mm，年平均相對(duì)濕度為81.7%，受臺(tái)風(fēng)影響較大，年平均霧日為17.7 d。

2　討論

從上述分析可以確定，該脫乙烷塔塔體的失效形式為氯化物引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1-3]，主要是由于塔外保溫材料破損導(dǎo)致的。(1) 塔體各處溫度不同，造成其外表面附著大量的冷凝水；(2) 保溫材料破裂處的塔體材料直接與外界空氣接觸，空氣中的氧氣源源不斷地溶入冷凝水中，形成腐蝕電池；同時(shí)，由于該脫乙烷塔處于海島環(huán)境，周圍空氣中含有大量的Cl-[4-5]，易溶解在塔體表面的冷凝水中，使水膜的導(dǎo)電性增加；另一方面，由于Cl-半徑小，易取代氧在塔體表面的鈍化膜上發(fā)生吸附作用[6]，破壞了鈍化膜溶解和修復(fù)(再鈍化)的動(dòng)平衡狀態(tài)，溶解占優(yōu)勢(shì)，從而使鈍化膜的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進(jìn)了金屬腐蝕(點(diǎn)蝕)作用的發(fā)生。當(dāng)局部腐蝕發(fā)生時(shí)，蝕坑內(nèi)氧含量下降，形成氧濃差腐蝕電池，孔內(nèi)金屬離子不斷增加，為保持電中性，坑外Cl-進(jìn)入蝕坑，坑內(nèi)Cl-含量升高，金屬離子發(fā)生水解產(chǎn)生氫離子，使坑內(nèi)氫離子升高造成坑內(nèi)pH下降，坑內(nèi)pH可降至2～3，加速了坑內(nèi)部腐蝕的進(jìn)程，即發(fā)生了氯離子的自催化腐蝕效應(yīng)[7-8]。

除了發(fā)生點(diǎn)蝕以外，還會(huì)發(fā)生以下兩種腐蝕：(1) 塔體上下溫差較大，又存在氧氣和冷凝水膜，會(huì)形成溫差電池；(2) 保溫材料破損處塔體所接觸的氧氣較保溫材料覆蓋處豐富，可形成氧濃差電池。這兩種電池都可能造成點(diǎn)蝕或其他形式的局部腐蝕。

該塔在運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的壓力高達(dá)2 MPa，使塔體外表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)。在塔體外表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕或其他局部腐蝕的情況下，這些位置就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋源。在塔內(nèi)應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下，裂紋源繼續(xù)擴(kuò)展，最終在塔體外表面形成裂紋。另外，裂紋發(fā)生的溫度范圍為60～80 ℃，該溫度區(qū)間對(duì)304不銹鋼的影響尤其嚴(yán)重，僅需少量Cl-就可以引起SCC[9-11]。

裂紋產(chǎn)生后，其內(nèi)部環(huán)境與縫隙腐蝕類似，都處于強(qiáng)酸性的活化狀態(tài)，由于裂紋較窄，裂紋內(nèi)表面的溶解緩慢，形成少量的腐蝕產(chǎn)物。

3　結(jié)論

(1) 脫乙烷塔外表面發(fā)生開(kāi)裂分為兩個(gè)階段：第一階段，較差的保溫效果導(dǎo)致塔體上下產(chǎn)生溫差，造成冷凝水的析出，長(zhǎng)期出現(xiàn)的冷凝水促使保溫材料破壞，造成大氣中的鹽分與不銹鋼表面發(fā)生接觸，從而產(chǎn)生點(diǎn)蝕；第二階段，塔體為壓力容器，外表面長(zhǎng)期受拉應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)了點(diǎn)蝕坑深處產(chǎn)生裂紋，即導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

(2) 塔體的外防腐措施應(yīng)采用新型保溫材料，避免使塔體外壁產(chǎn)生較大溫差，并及時(shí)對(duì)保溫材料進(jìn)行檢修，以免出現(xiàn)破損造成塔體腐蝕。

(3) 應(yīng)選用合適的低溫鋼材作為塔體材料。

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Corrosion Reason of a Deethanizer

LI Ying-yong

(Zhanjiang Branch, CNOOC Co., Ltd., Zhanjiang 524000, China)

Penetration method was adopted to detect the external surface of the deethanizer in an offshore oilfield terminal. The results reveal that there were 56 cracks distributed in the first to fourth sections of the deethanizer′s barrel. In order to ensure the safety in production, the main cracking causes were analyzed through the methods of microstructure observation and chemical composition analysis, and the resolutions were presented. The results show that the failure was due to SCC induced by chloride and could be resolved by replacing the materials of the thermal insulation or the deethanizer.

deethanizer; crack; corrosion analysis

10.11973/fsyfh-201609018

2015-04-15

李應(yīng)勇(1972-),工程師,學(xué)士,從事內(nèi)燃機(jī)及機(jī)械設(shè)備技術(shù)研究,0759-3910275,liyy6@cnooc.com.cn

TG172

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1005-748X(2016)09-0767-04