丙酮提取塔腐蝕分析及對策

周興，顏鵬

（寧波鎮(zhèn)洋化工發(fā)展有限公司，浙江寧波315040）

丙酮提取塔腐蝕分析及對策

周興，顏鵬

（寧波鎮(zhèn)洋化工發(fā)展有限公司，浙江寧波315040）

針對位號為T3202丙酮提取塔投運(yùn)以來出現(xiàn)的腐蝕減薄、穿孔漏料等情況，在深入調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實(shí)際情況制訂了經(jīng)濟(jì)、可靠的維修方案。

丙酮提取塔；腐蝕原因分析；調(diào)查；技術(shù)可行性方案

某氯堿企業(yè)利用自有的氫氣，于2007年安裝投產(chǎn)了1套MIBK（甲基異丁基酮）生產(chǎn)裝置。其中位號T3202丙酮提取塔（?1 800×42 265，16MnR）作為該裝置中的重要設(shè)備，自投運(yùn)以來運(yùn)行比較正常。自2014年12月開始，塔釜及釜底接管連續(xù)出現(xiàn)腐蝕減薄、穿孔漏料的問題，雖采取多次修補(bǔ)甚至是變更部分材質(zhì)，但腐蝕情況仍未改善，已嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。

為此，在對同行進(jìn)行調(diào)研走訪的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)論證，制訂了經(jīng)濟(jì)、可靠的塔釜內(nèi)部維修方案。

1 塔釜概況

塔釜技術(shù)參數(shù)為：塔釜總長（不含封頭）2 500 mm，直徑?1 800，材質(zhì)16MnR，板厚20 mm，工作溫度86.6℃，工作壓力為常壓，塔釜結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 檢修情況

（1）2014年12月7日晚22點(diǎn)漏丙酮，發(fā)現(xiàn)塔釜底部去再沸器N4管（?273×9）管道與塔底封頭焊接處穿孔，設(shè)計(jì)厚度6 mm的塔釜內(nèi)擋板減薄至約3 mm，從再沸器出口進(jìn)塔釜的N5管上部腐蝕穿透，以上全部用碳鋼材料更換。

圖1 塔釜結(jié)構(gòu)簡圖

（2）2015年6月30日，系統(tǒng)開車時發(fā)現(xiàn)有丙酮味，塔釜從下封頭到第一塔節(jié)焊縫之間的區(qū)域內(nèi)有不均勻的腐蝕減薄、部分區(qū)域穿孔，后在塔釜外部貼補(bǔ)高H2 000×δ12 mm的16MnR鋼板一圈。塔底N4管道與下封頭焊縫處約10 mm左右范圍內(nèi)管壁腐蝕減薄至6 mm，因腐蝕速率太快（半年時間腐蝕約3 mm），將N4管道改為304材質(zhì)。

（3）2016年1月20日大修期間，發(fā)現(xiàn)塔底N4管道腐蝕嚴(yán)重，靠近封頭焊接處最薄只有4.8 mm，其余部位厚度在6～8 mm左右，因檢修時間緊迫，后用碳鋼包覆貼補(bǔ)。

（4）2016年8月停車期間，發(fā)現(xiàn)塔底N4管道下部（約1 000 mm長度）腐蝕嚴(yán)重，最薄處僅為3 mm左右，后用碳鋼包覆貼補(bǔ)。

（5）2016年12月15日MIBK大修，發(fā)現(xiàn)塔釜內(nèi)部北面腐蝕嚴(yán)重。2015年6月30日，發(fā)現(xiàn)穿孔區(qū)域的面積已擴(kuò)大，在塔釜外部整體貼補(bǔ)的12 mm厚16MnR鋼板最薄處只有9 mm，后在內(nèi)部用8 mm碳鋼板包覆貼補(bǔ)約0.5 m2。擋板、隔板腐蝕嚴(yán)重、多處穿孔，改為304材質(zhì)的塔底N4管道（外包碳鋼板）腐蝕嚴(yán)重，后將塔底N4管道、擋板、隔板均更換為316L材質(zhì)，因投運(yùn)時間較短，腐蝕速率不明顯。

3 原因分析

通過對同行的考察和技術(shù)交流，認(rèn)為控制指標(biāo)基本無區(qū)別，丙酮提取塔腐蝕情況相似。引起腐蝕的主要原因?yàn)椋篗IBK采用磺酸基樹脂的Pd-AmberlystTM CH28催化劑工藝，與反應(yīng)產(chǎn)物之一的水發(fā)生水解反應(yīng)生成稀硫酸。因丙酮和水互溶，生成的無機(jī)酸（稀硫酸）溶于有機(jī)相，對碳鋼設(shè)備的腐蝕作用大大減弱，所以系統(tǒng)中的后續(xù)塔設(shè)備沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕。對于丙酮提取塔，丙酮從塔頂出料，在塔釜處發(fā)生分層，水相作為重組分積于塔釜，無機(jī)酸對塔釜釜底的封頭、N4管道、擋板、隔板造成嚴(yán)重的腐蝕。

因稀硫酸是發(fā)生腐蝕的主要原因，如通過加大進(jìn)前系統(tǒng)設(shè)備（位號V3103）內(nèi)的堿液量，降低T3202塔釜中無機(jī)酸含量，可解決腐蝕問題，但過量堿液使丙酮發(fā)生縮合反應(yīng)，生成DAA（二丙酮醇），會降低產(chǎn)品MIBK純度，增加丙酮消耗。為保證MIBK產(chǎn)品純度和酸度，不建議增加堿液的加入量。因此，擬通過更換塔釜、管道、擋板、隔板等材質(zhì)，提高其對酸的耐腐蝕能力。

4 應(yīng)對措施

4.1 材質(zhì)選取

從該公司N4管道更新為304不銹鋼后的使用情況看，不耐T3202塔釜溶液的腐蝕，不能采用。

參考MIBK裝置中的另一臺重要設(shè)備R3101反應(yīng)器，材料為317L（3 mm厚）+16MnR復(fù)合材料。自2007年投運(yùn)以來，未出現(xiàn)腐蝕問題，主要是317L材料含有3%～4%的鉬元素，在非氧化性酸和熱的有機(jī)酸環(huán)境內(nèi)耐蝕性強(qiáng)于304材質(zhì)，抗孔蝕能力較好。T3202和R3101內(nèi)溶液的物料組成、pH值均差不多，16MnR、304材質(zhì)均不耐T3202塔釜介質(zhì)腐蝕，因此建議內(nèi)部采用317L（制造標(biāo)準(zhǔn)ASTMA240，主要元素含量為：碳（C）≤0.03%，鎳（Ni）11.0%～15.0%，鉻（Cr）18.0%～20.0%，鉬（Mo）3.0%～4.0%）材料貼補(bǔ)。

4.2 技術(shù)可行性核算[1]

4.2.1 覆材厚度計(jì)算

根據(jù)T3202丙酮提取塔塔釜在未運(yùn)行時參數(shù)為0.101 MPa絕對壓力、（273+20）K；運(yùn)行時參數(shù)為0.101 MPa、絕對壓力（273+86.6）K。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，覆材與基材空間的絕對壓力為0.124 MPa，表壓為0.023 MPa。方案中將H2 500 mm、δ4 mm板按外徑?1 800 mm卷板，然后按軸向方向分為5層，每塊高度500 mm；再按徑向方向分為4塊，每塊弧長約1 413 mm。假設(shè)高500 mm圓筒為一焊接整體，按外壓圓筒容器圖表法計(jì)算（GB 150-2011章4.3.2[2]）為：D0—圓筒外直徑，1 800 mm；Δe—圓筒的名義厚度，4 mm；[p]—許用外壓力，MPa；B—系數(shù)，（查GB 150-1998圖6-3～6-10可得）；L—圓筒計(jì)算長度，為500 mm

工程設(shè)計(jì)中，一般D0/δe≥20為外壓薄壁壓力容器，根據(jù)式得出D0/δe=450，L/D0=0.28，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查GB 150-2011[2]圖4-2及圖4-11得出B= 70 MPa，根據(jù)，因此4 mm厚板可承受此壓力。

4.2.2 覆板剪切應(yīng)力和焊縫寬度計(jì)算

（1）因317L線性膨脹系數(shù)比16MnR大，如覆材317L板與基材16MnR未焊為一體（分為若干塊），貼合間隙過小會導(dǎo)致317L覆材失穩(wěn)起鼓，兩者間隙計(jì)算過程為：

16MnR（現(xiàn)場溫度70℃）及317L（使用溫度86.6℃），L=5 652 mm，其線性膨脹量如下

16MnR板材：△L1=α1△TL=11.42×10-6mm/mm·℃×（70-20）℃×5 652 mm=3.22 mm

317 L板材：△L2=α1△TL=16.76×10-6mm/mm·℃×（86.6-20）℃×5 652 mm=6.31 mm

16MnR板總長度為L1=△L1+L=3.22 mm+5 652 mm=5655.22mm，其圓筒內(nèi)徑R1=1801.03（mm）。

317L板總長度為L1=△L1+L=6.31+5 652= 5 658.31（mm），其圓筒外徑R2=1 802.01（mm），間隙e≥（R1-R2）/2=0.49（mm），內(nèi)筒不會失穩(wěn)起鼓。

（2）如覆材317L與基材16MnR焊為一體，因線膨脹系數(shù)不同，溫度的變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力作用于焊縫，對焊縫的許用剪切應(yīng)力及寬度進(jìn)行計(jì)算如下。

取其中一塊H 500 mm、δ 4 mm、L1413 mm的覆材為計(jì)算模型，假設(shè)其一條邊（長邊）已與基材焊接，根據(jù)塔釜底內(nèi)部溫度為86.6℃，基材溫度經(jīng)現(xiàn)場測量為70℃。根據(jù)《材料力學(xué)Ⅰ》第四版2.11溫度應(yīng)力計(jì)算公式[3]：σt=α1E△T計(jì)算熱應(yīng)力：

317L的σt1=α1E△T=16.76×10-6mm/mm·℃×189. 93×103MPa×（86.6-20）℃=212 MPa；

16MnR的σt2=α1E△T=11.42×10-6mm/mm·℃× 197.62×103MPa×（70-20）℃=112.84 MPa；

σt=σt1-σt2=212-112.84=99.16（MPa）

注：α1—材料的線膨脹系數(shù)；此處以86.6℃取317L為16.76×10-6mm/mm·℃，16MnR為11.42×10-6mm/mm·℃；

E—彈性模量，此處以86.6℃取317L為189.93× 103MPa，16MnR為197.62×103MPa；

△T—溫升差值，此處常溫20℃；

317L焊縫的許用剪切應(yīng)力[τ]=σs/Sτ=176 MPa/ 2.5=70.4 MPa

σs—材料的屈服極限強(qiáng)度；

S—安全系數(shù)。

根據(jù)以上結(jié)果，計(jì)算出該塊覆材長邊的內(nèi)力F= σt×S=99.16×103MPa×1 413 mm×4 mm=560 452.3 N。假設(shè)對面長邊焊縫寬度為B，，取6 mm可以滿足條件。參照以上計(jì)算過程，短邊焊縫的寬度也取6 mm。

以上計(jì)算過程說明，當(dāng)覆材317L板與基材16MnR焊為一體、焊縫寬度6 mm時，覆材焊縫滿足抗剪要求、覆材與基材熱變形伸長量可保持一致。因在T3202基材上貼補(bǔ)覆材，有制作誤差，覆材與基材必然有微小的間隙，可減小覆材與基材的熱應(yīng)力差。同時在每塊覆材中有塞焊孔，也限制了覆材的徑向失穩(wěn)起鼓。

4.3 施工方案

（1）根據(jù)要求，采用4 mm厚317L鋼板卷板，卷板后的圓筒高度2 500 mm，周長約5 652 mm。然后將圓筒按弧長分為4塊，每塊弧長約1 413 mm，再將這4塊板按500 mm的高度分為5塊，每塊板上開2個?14 mm大的塞焊孔。塔釜封頭按圖紙要求預(yù)制好，分割為7塊備用，每塊板上按圖紙要求開?14 mm大的塞焊孔，間距為500 mm。

（2）由崗位安排拆除塔外部需施工的保溫棉，斷開相關(guān)管口，管口加盲板封堵。對塔內(nèi)進(jìn)行吹掃、清洗，取樣分析合格后，開具動火、受限空間及用電等票證進(jìn)行檢修，施工中通風(fēng)設(shè)備保持工作。

（3）將塔釜內(nèi)隔板、擋板、防渦流裝置、N5接管及塔釜外部的所有接管割除，然后對塔釜內(nèi)腐蝕嚴(yán)重的部位及割除處進(jìn)行打磨、平整，腐蝕較深的局部區(qū)域用16MnR板材進(jìn)行貼補(bǔ)恢復(fù)，對塔釜厚13 mm以下的減薄部位貼補(bǔ)8 mm厚16MnR板予以加強(qiáng)，對塔釜厚5 mm以下減薄部位另在外部貼補(bǔ)8 mm厚16MnR板予以加強(qiáng)，加強(qiáng)焊接完成后對焊縫及新老接縫處進(jìn)行打磨，與完好的內(nèi)壁齊平便于焊接貼補(bǔ)317L板材。

4.4 貼補(bǔ)焊接

（1）按先封頭后塔壁、自下向上的順序焊接貼補(bǔ)，焊接形式采用對接焊及塞焊，先塞焊然后再進(jìn)行對接焊。根據(jù)GBT 985.1-2008[4]，相鄰焊接的板材對接坡口為V型坡口，對接尺寸不大于4 mm，為了覆材與原塔壁基材貼合緊密，對板材中的14 mm孔與原塔壁進(jìn)行塞焊，使覆材與基材融為一體，防止中間起鼓。

（2）覆層焊縫與基層焊縫之間，以及覆層焊縫與基層母材交界處宜采用過渡焊縫?；鶎优c覆層間的過渡焊縫焊條型號為E309Mo-16，覆層間焊條型號為E317-16。過渡焊縫應(yīng)同時融合基層母材、覆層母材。覆層貼補(bǔ)過程中，應(yīng)將需焊接處的基層表面去掉1.0～2.0 mm厚度，然后對焊過渡焊縫及覆層焊縫。

（3）焊接采用氬弧焊和手工電弧焊組合焊接。封頭施工完成后對塔壁同樣方法進(jìn)行施工，焊接結(jié)束后對焊縫進(jìn)行打磨，保證內(nèi)壁平整、光滑。

（4）貼板高度至封頭以上2 500 mm左右，封頭部分根據(jù)實(shí)體進(jìn)行放樣，分為7塊板材進(jìn)行拼接而成，內(nèi)襯壁板按軸向方向分4塊，然后再按500 mm高度分5塊，塞焊點(diǎn)布置為每塊壁板圓周中心線，其相鄰焊點(diǎn)間隔500 mm。在焊接過程中，N5接管口及人孔口在原位置先行開孔。塔內(nèi)件隔板、擋板要先與塔釜基材焊為一體后，再與塔釜壁覆材焊接。

（5）以上焊接貼補(bǔ)完畢后，打磨所有焊縫，去除飛濺、焊渣等，再對所有焊縫進(jìn)行著色探傷檢查，滲透檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T47013.5-2015標(biāo)準(zhǔn)的I級。確認(rèn)合格后，再對覆材及內(nèi)部更換的317L件做酸洗鈍化處理。以上工作完畢后，才可恢復(fù)保溫，投入使用。

5 結(jié)語

經(jīng)走訪考察及技術(shù)論證，丙酮提取塔內(nèi)襯317L鋼板方案可行。但需要指出的是，受訪廠家的內(nèi)襯是基于整個塔割開，然后吊起，再在塔釜段內(nèi)內(nèi)襯一圈完整的304鋼板，檢修費(fèi)用昂貴。而本方案則可大大節(jié)省檢修費(fèi)用，只是因現(xiàn)場情況復(fù)雜，需將卷成型的鋼板分割貼補(bǔ)。因此，在焊接過程中，嚴(yán)格把控拼裝及焊接質(zhì)量；內(nèi)襯貼補(bǔ)的16MnR完成后，打磨著色檢查；317L板貼補(bǔ)后，進(jìn)行過渡區(qū)焊縫著色檢查及對接焊縫著色檢查；另外，需每年入塔釜檢查并記錄在案。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）．北京：高等教育出版社，2001.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB／T150－2011壓力容器．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［3］劉鴻文．材料力學(xué)Ⅰ．4版．北京：高等教育出版社，2004．

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB／T 985．1－2008氣焊、焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和高能束焊的推薦坡口．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

Analysis and countermeasure of corrosion of acetone extraction tower

ZHOU Xing，YAN Peng
（Ningbo Oceanking Chemical Developing Co.,Ltd.,Ningbo 315040，China）

In view of the corrosion and perforation of the acetone extraction tower，an economical and reliable maintenance program has been formulated on the basis of further investigation and combined with its own conditions.

acetone extraction tower；corrosion analysis；investigation；technical feasibility plan

TQ050.9

B

1009－1785(2017)07-0029-03

2017-06-12