乙烯裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器管束腐蝕原因分析

鄒 亮，劉 翔，林建東，熊衛(wèi)國，鄒厚香

（福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州362800）

乙烯裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器管束腐蝕原因分析

鄒 亮，劉 翔，林建東，熊衛(wèi)國，鄒厚香

（福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州362800）

2016年3月，某公司乙烯裂解裝置裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器（E20202AM／BM）管束發(fā)生大面積泄漏，裝置被迫臨時停工搶修。腐蝕調(diào)查和分析認(rèn)為：裝置自2013年脫瓶頸改造后，乙烯裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器換熱管外壁一直存在以H2S-CO2-H2O為主的腐蝕環(huán)境；壓縮機(jī)段間注水量較大且霧化不良，冷凝液pH值較低，導(dǎo)致二段后冷器換熱管外壁發(fā)生均勻腐蝕和點蝕，并引起泄漏；在切換真空泵冷凝器（E20225BX／E20226BX）時，因作業(yè)不平穩(wěn)導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)真空度波動，使得裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器管束腐蝕嚴(yán)重部位發(fā)生破損穿孔，造成大面積泄漏。2013年改造后殼程介質(zhì)流速提高以及原料中S含量較高也是導(dǎo)致腐蝕加劇的兩個主要因素。建議控制原料S含量、加注緩蝕劑、控制壓縮機(jī)段間注水量及加強(qiáng)系統(tǒng)管線腐蝕檢測抑制腐蝕穿孔發(fā)生。

裂解氣后冷器 管束 腐蝕泄漏 流速 腐蝕環(huán)境

1 腐蝕泄漏和設(shè)備概況

1．1 腐蝕泄漏情況

2016年3月14日，某公司0．99 Mt／a乙烯裂解裝置裂解氣壓縮機(jī)（K20201）二段后冷器（E20202AM／BM）發(fā)生大面積泄漏，大量裂解氣進(jìn)入循環(huán)水側(cè)阻礙循環(huán)水流動。由于氣阻使E20202AM／BM失去換熱能力，導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)三段吸入熱量急劇上升，其出口溫度109．52℃（接近聯(lián)鎖值110℃），影響機(jī)組正常運(yùn)行，乙烯裝置被迫臨時停工搶修。

抽出E20202AM／BM冷卻器管束檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管外壁有大量腐蝕坑，并且已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕穿孔，見圖1。使用內(nèi)窺鏡觀察換熱管內(nèi)部，管束內(nèi)壁相對平整光滑，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕坑（見圖2）。經(jīng)水壓試漏，發(fā)現(xiàn)后冷器泄漏的換熱管每臺有40至50根，實際堵管處理每臺約200根。

圖1 換熱管外壁腐蝕形貌

圖2 換熱管內(nèi)壁形貌

1．2 設(shè)備概況

裂解氣壓縮機(jī)二段后冷器（E20202AM／BM）是由原冷卻器（E20202A／B）改造而成，屬于浮頭式換熱器，殼程為裂解氣，管程為循環(huán)水。2013年改造前，共運(yùn)行4 a未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕。

2013年脫瓶頸改造時，殼體利舊、管束更新。管束由四管程改為兩管程，換熱管排列方式由正方形排列改成正三角形排列，換熱面積由1 701 m2增加到1 742 m2，兩臺換熱器的流量由原323 t／h增加到427 t／h。改造后的 E20202AM／BM換熱管尺寸為Φ19 mm×2．0 mm，于2013年12月投入使用，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2 腐蝕原因分析

為確保腐蝕分析的準(zhǔn)確性及權(quán)威性，停工后，委托專業(yè)檢測單位對E20202AM／BM進(jìn)行了現(xiàn)場抽管取樣，并作了檢測分析。

2．1 試驗管子取樣

（1）抽取E20202AM換熱管5根，編號分別為：A，B，C，D和 E，見圖3。其中，A和 B管再取樣3節(jié)，編號分別為：A1，A2，A3，B1，B2及 B3；C，D及E管未取樣，僅進(jìn)行外觀檢測。

（2）抽取E20202BM換熱管4根，編號分別為：F，G，H和I，見圖4。其中，F(xiàn)和G管再取樣3節(jié)，編號分別為：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，G1，G2及 G3；H和 I管未取樣，僅進(jìn)行外觀檢測。

（3）每根管取樣的具體截取部位見圖5。

圖3 E20202AM換熱管取管部位

圖4 E20202BM換熱管取管部位

圖5 換熱管試樣截取位置

2．2 腐蝕檢查

2．2．1 宏觀檢查

通過對E20202AM／BM換熱管取樣管段進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管存在管外壁腐蝕，檢查結(jié)果見表2。其中有些管段管外壁腐蝕穿孔比較嚴(yán)重，見圖6至圖8。

表2 樣品外觀檢查情況

圖6 B換熱管取樣管段腐蝕

圖7 F換熱管取樣管段腐蝕

圖8 G換熱管取樣管段腐蝕

2．2．2 管段橫截面檢查

分別從換熱管腐蝕嚴(yán)重部位及未見明顯腐蝕的部位截取橫截面檢查，見圖9和圖10。從圖9及圖10可以看出：A2，A3，B2，F(xiàn)2，F(xiàn)3和 G2等管段腐蝕嚴(yán)重部位均發(fā)生在外壁，坑內(nèi)有較多的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁雖然存在結(jié)垢現(xiàn)象，但腐蝕輕微。

圖9 E20202AM換熱管截面腐蝕狀況

圖10 E20202BM換熱管截面腐蝕狀況

2．2．3 內(nèi)外徑測試

從橫截面檢查的試樣中，分別選取腐蝕嚴(yán)重和未見明顯腐蝕的換熱管，經(jīng)除垢后進(jìn)行內(nèi)外壁直徑測量，測量結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)外徑測量結(jié)果

由表3可以看出：腐蝕嚴(yán)重的管子外徑變化較大，內(nèi)徑變化較??；未見有明顯腐蝕的管子外徑和內(nèi)徑變化均較小，進(jìn)一步說明腐蝕主要發(fā)生在外壁。

2．3 化學(xué)分析

對換熱管取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。從表4可以看出，換熱管化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果 w，%

2．4 金相分析

為了確定是否存在應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，分別從A3和B3部位取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果見圖11和圖12。可以看出：外壁腐蝕嚴(yán)重部位內(nèi)壁也有腐蝕，管外壁腐蝕明顯比內(nèi)壁嚴(yán)重；內(nèi)外壁腐蝕部位、腐蝕坑底部均未發(fā)現(xiàn)微裂紋；金相組織正常。

圖11 A3試樣金相組織

圖12 B3試樣金相組織

2．5 能譜分析

采用X射線能譜分析儀分別對蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物和金相試樣內(nèi)外壁結(jié)垢物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表5。從表5可以看出：E20202AM／BM換熱管外壁腐蝕元素主要有O和S，E20202BM換熱管外壁的S元素只是在局部區(qū)域檢測到。

表5 腐蝕產(chǎn)物主要元素能譜分析結(jié)果 w，%

2．6 綜合分析

2．6．1 裂解氣中酸性物質(zhì)腐蝕

（1）裂解氣是石油烴高溫裂解生產(chǎn)低級烯烴過程中生成的多組分混合氣體，主要組分為甲烷及碳二至碳五烯烴和烷烴，還有氫氣、少量炔烴、硫化物、一氧化碳、二氧化碳、水分及惰性氣體等雜質(zhì)。工藝需要對壓縮機(jī)注水，從而降低裂解氣溫度，但經(jīng)噴嘴注入的水并不能完全霧化或霧化效果差，從而形成大的液滴。硫化氫、二氧化碳及小分子有機(jī)酸（如甲酸、乙酸等）溶于液態(tài)水后會形成酸性電化學(xué)腐蝕環(huán)境，造成碳鋼腐蝕。裂解氣在出三段壓縮后進(jìn)堿洗塔用堿液脫除裂解氣中的酸性氣體，出塔裂解氣中酸性氣體硫化氫、二氧化碳總質(zhì)量濃度一般小于1 mg／L，所以，裂解裝置的腐蝕問題主要出現(xiàn)在堿洗塔之前的設(shè)備及管道上。

（2）壓縮機(jī)各段間冷卻器工藝介質(zhì)側(cè)長期處于酸性環(huán)境下。2011年年底和2016年3月，曾對段間冷卻器冷凝液pH值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)pH值平均為4，說明水冷器一直在酸性環(huán)境下工作。這主要由冷凝液中硫化氫、二氧化碳含量決定，pH值越低酸性越強(qiáng)，腐蝕越嚴(yán)重。

（3）2014年12月至2015年5月，外購石腦油中S質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超標(biāo)，最高值近2 000μg／g，經(jīng)與自產(chǎn)石腦油調(diào)合后也達(dá)到500μg／g。S含量超標(biāo)會導(dǎo)致裂解氣中的硫化氫含量上升，從而加劇壓縮機(jī)各段后冷器管束的腐蝕。

2．6．2 改造后流速提高

處于較低pH值的酸性冷凝液中的碳鋼（換熱管外壁）很容易發(fā)生腐蝕。腐蝕嚴(yán)重程度主要取決于環(huán)境介質(zhì)pH值、溫度及流速等因素。從2013年改造后情況來看，殼程介質(zhì)的流量提高約32%，換熱器進(jìn)出口流速分別由16．97 m／s和20．04 m／s提高到22．43 m／s和31．78 m／s。流速顯著提高會破壞換熱管外腐蝕產(chǎn)物形成的保護(hù)膜，從而加劇腐蝕。

2．6．3 壓力波動

2016年3月14日，在切換真空泵冷凝器（E20225BX／E20226BX）時，由于操作室內(nèi)外銜接不當(dāng)，裂解氣壓縮機(jī)真空度由－85 kPa瞬間波動至－16 kPa。真空度波動導(dǎo)致腐蝕減薄的E20202AM／BM管束迅速破損，出現(xiàn)大面積穿孔泄漏。

3 結(jié)論及建議

（1）乙烯裂解裝置裂解氣壓縮機(jī)二段后冷卻器（E20202AM／BM）換熱管外壁存在以H2SCO2-H2O為主的腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致管外壁發(fā)生均勻腐蝕和點蝕，并引起泄漏。2013年改造后流速提高以及原料中S含量較高是導(dǎo)致腐蝕加劇的兩個重要因素。

（2）嚴(yán)格控制原料中的S含量。對于乙烯裂解裝置的新原料，特別是硫含量高的原料，需要進(jìn)行風(fēng)險評估并嚴(yán)格執(zhí)行變更程序。

（3）加注緩蝕劑。優(yōu)化工藝操作，在裂解氣壓縮機(jī)段間注入緩蝕劑，使急冷水pH值控制在7～8。監(jiān)控二段和三段間冷卻器殼程冷凝液酸度、鐵離子濃度，并根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整緩蝕劑注入量。

（4）控制壓縮機(jī)段間注水量在設(shè)計指標(biāo)之內(nèi)。壓縮機(jī)段間需要注水降溫，但注水量過大，不能完全霧化，導(dǎo)致未霧化的水吸收裂解氣中的酸性氣體，形成酸性腐蝕環(huán)境。

（5）評估材質(zhì)升級的可能性及經(jīng)濟(jì)性。

（6）調(diào)整系統(tǒng)管線（重點是水冷器及工藝介質(zhì)出入口管線）的腐蝕檢測頻率為6個月一次。

Corrosion Analysis of Aftercooler Pipeline in the Second Section Coupled to Cracking Gas Compressor of Ethylene Plant

Zou Liang，Liu Xiang，Lin Jiandong，Xiong Weiguo，Zou Houxiang
（Fujian Refining＆Petrochemical Co．，Ltd．，Quanzhou 362800，China）

In March 2016，large area leakage accident occurred in the aftercooler（E20202AM／BM）pipeline in the second section coupled to cracking gas compressor in an ethylene plant，which resulted in a temporary stoppage for repairs．According to the investigation，a corrosion environment dominated by H2S-CO2-H2O always existed in the outer wall of pipeline；leakage caused by uniform corrosion and pitting appeared in the outer wall of pipeline，due to large injection and poor atomization of water as well as low pH value in the section；damaged perforation occurred in the serious corrosion position of pipeline resulted by the pressure fluctuation in the compressor when switching the vacuum pump condenser（E20225BX／E20226BX）．In addition，two other main factors leading to the intensification of corrosion were the increase of flow velocity in the shell side after modification in 2013 and the high content of sulfur in the raw material．Reasonable measures were proposed to prevent the occurrence of corrosion perforation，including controlling sulfur content，adding corrosion inhibitor，governing water injection and improving pipeline corrosion detection．

cracking gas aftercooler，pipeline，corrosion leakage，flow velocity，corrosion environment

2017-04-17；修改稿收到日期：2017-06-15。

鄒亮（1985—），工程師，畢業(yè)于北京化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)在該公司從事靜設(shè)備防腐管理工作。E-mail：zouliang＠fjrep．com

（編輯 王維宗）