雅克拉集氣處理站換熱器管束腐蝕穿孔原因分析

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(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 阿克蘇 842017；2.中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南 濮陽(yáng) 457000)

雅克拉集氣處理站(簡(jiǎn)稱雅站)位于新疆庫(kù)車縣境內(nèi)的塔克拉瑪干沙漠北緣，設(shè)計(jì)天然氣處理量260×104m3/d，凝析油處理量1.7 Mt/a，是集油氣計(jì)量、天然氣脫水、天然氣脫汞、制冷回收輕烴、凝析油穩(wěn)定和西氣東輸為一體的大型綜合處理裝置。其中，凝析油穩(wěn)定采用閃蒸分離+精餾穩(wěn)定的工藝[1]。二級(jí)凝析油換熱器管束出現(xiàn)串漏失效,嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。不同用途的換熱器失效的原因是復(fù)雜多樣的，換熱器管束失效主要表現(xiàn)為縫隙腐蝕、沖蝕和垢下腐蝕等[2]。

1 凝析油穩(wěn)定單元流程簡(jiǎn)介

高壓計(jì)量單元的凝液經(jīng)過(guò)二級(jí)凝析油換熱器與穩(wěn)定凝析油換熱后依次進(jìn)入一級(jí)閃蒸分離器、二級(jí)閃蒸分離器、洗鹽分離器，在分離器內(nèi)完成油、氣、水的分離。脫水后的凝液再經(jīng)過(guò)一級(jí)凝析油換熱器換熱后進(jìn)入凝析油穩(wěn)定塔進(jìn)行精餾穩(wěn)定。塔底液相經(jīng)一級(jí)、二級(jí)凝析油換熱器換熱降溫后進(jìn)入凝析油儲(chǔ)罐。塔頂回流罐氣相經(jīng)穩(wěn)定氣壓縮機(jī)增壓、冷卻、分離后進(jìn)入旋流分離器，液相經(jīng)回流泵增壓后進(jìn)入液化氣塔。雅站凝析油穩(wěn)定單元流程見(jiàn)圖1。高壓計(jì)量單元凝液(2.45 MPa,32 ℃)從二級(jí)凝析油換熱器的管程下部進(jìn)入，從管程上部流出；低壓高溫穩(wěn)定的凝析油(0.08 MPa,130 ℃)從二級(jí)換熱器殼程上部進(jìn)入，從殼程下部流出，實(shí)現(xiàn)凝析油換熱。

2 換熱器管束腐蝕穿孔危害

雅站二級(jí)凝析油換熱器是雅站凝穩(wěn)單元的關(guān)鍵設(shè)備之一。管束腐蝕嚴(yán)重，且部分管束存在腐蝕穿孔,不僅影響凝析油的穩(wěn)定效果，降低了凝析油中的輕組分拔出率，還存在一定的安全隱患。具體危害如下：①二級(jí)凝析油換熱器管束內(nèi)被鹽和油泥砂堵塞的有230根,其中130根堵塞較嚴(yán)重，造成換熱面積降低，影響換熱效果；②管束串漏后高壓計(jì)量單元的凝液從管程內(nèi)串漏到殼程，與低壓穩(wěn)定的凝析油一起進(jìn)入儲(chǔ)罐，造成進(jìn)罐凝析油含水超標(biāo)，影響裝置的運(yùn)行；③管束串漏后，高壓計(jì)量單元的凝液中的水、輕組分串漏到殼程，在殼程高溫下汽化形成“氣阻”，造成穩(wěn)定塔塔頂壓力升高，塔頂壓力由原來(lái)正常運(yùn)行壓力0.08 MPa上升至0.13 MPa，影響穩(wěn)定塔塔頂輕組分的拔出率，造成裝置輕烴收率大幅降低，輕烴、液化氣產(chǎn)量日減少約10 t；④二級(jí)凝析油換熱器管束串漏后，若不降低穩(wěn)定塔塔底溫度，依然以150 ℃操作溫度運(yùn)行，凝析油進(jìn)罐溫度高于80 ℃，不僅造成儲(chǔ)罐凝析油揮發(fā)量增多，還會(huì)因凝析油外輸溫度超出凝析油外輸流量計(jì)溫度范圍(不超過(guò)65 ℃)，致使外輸凝析油無(wú)法進(jìn)行計(jì)量交接，造成凝析油憋庫(kù)；若降低穩(wěn)定塔塔底溫度(降至100 ℃)，雖然滿足了凝析油外輸溫度要求，但卻嚴(yán)重影響穩(wěn)定塔塔頂輕組分的拔出率，造成裝置輕烴收率大幅降低。

圖1 雅站凝析油穩(wěn)定單元流程

3 腐蝕原因分析

3.1 換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有換熱管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外殼體流動(dòng)，稱為殼程流體[3]。二級(jí)凝析油換熱器為板式換熱器，型號(hào)：BES600-4.0/1.6-170-6/25-2Ⅱ，殼程介質(zhì)為穩(wěn)定的凝析油，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa、設(shè)計(jì)溫度200 ℃，實(shí)際運(yùn)行壓力0.08 MPa，操作溫度130 ℃；管程介質(zhì)為計(jì)量分離單元來(lái)的未穩(wěn)定凝析油，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa、設(shè)計(jì)溫度200 ℃，實(shí)際運(yùn)行壓力2.45 MPa，操作溫度130 ℃；共有管束368根，管束材質(zhì)為普通碳鋼，換熱面積170 m2，質(zhì)量2 195 kg。

3.2 腐蝕形貌

雅站二級(jí)凝析油換熱器已連續(xù)運(yùn)行多年，其管束因長(zhǎng)期運(yùn)行已出現(xiàn)串漏失效從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)。管束腐蝕情況：①管束外壁比較干凈,肉眼基本上觀察不到明顯腐蝕痕跡；②管束腐蝕主要集中分布在分程隔板上第一排位置，管束與管板分程隔板的密封處有21根管束腐蝕串漏明顯；③管板分程隔板下的腐蝕呈現(xiàn)坑蝕形貌。腐蝕形貌見(jiàn)圖2。

圖2 管束腐蝕及結(jié)垢情況

3.3 腐蝕失效原因分析

3.3.1 管束內(nèi)鹽堵和砂堵分析

雅克拉凝析氣田隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，地層水礦化度及產(chǎn)出介質(zhì)含CO2和H2S等腐蝕性介質(zhì)日漸增多。地層水礦化度由原來(lái)的4.9×104mg/L上升至16×104mg/L，礦化度變化巨大。單井井下油管、地面集輸管線、井口加熱爐盤管[4]和凝析油穩(wěn)定塔塔底重沸器管束[5]等均出現(xiàn)不同程度的鹽腐蝕。雅站二級(jí)凝析油換熱器管束內(nèi)共清出堵塞物30 kg。堵塞物為黑色粉末，用手搓捻判斷為鹽和細(xì)砂，見(jiàn)圖3。雅克拉凝析氣田已開(kāi)發(fā)超過(guò)10 a，一些低產(chǎn)低效凝析氣井出砂嚴(yán)重，見(jiàn)圖4。根據(jù)凝析氣井管理經(jīng)驗(yàn)，一旦凝析氣井出現(xiàn)出砂現(xiàn)象，凝析氣井很快就會(huì)停噴。

3.3.2 結(jié)垢腐蝕分析

雅站二級(jí)凝析油換熱器管束內(nèi)被鹽和油泥砂堵塞的有230根,其中130根管束堵塞較嚴(yán)重，且在管板中間附近的管束腐蝕穿孔明顯。主要是雅站高壓計(jì)量單元的凝液從換熱器管束下半部分進(jìn)入，由于管束與管板之間的分程隔板阻隔，在管束另一端折回，從管束上半部分流出，分程隔板處管束長(zhǎng)期充滿液體，溫度升高后微熔鹽析出結(jié)晶，為結(jié)垢腐蝕提供條件。結(jié)垢過(guò)程就是微溶鹽從溶液中結(jié)晶沉淀的一個(gè)過(guò)程。垢的形成很復(fù)雜，從時(shí)間角度分成4個(gè)步驟：①水中的離子結(jié)合成溶解度很小的鹽分子；②分子結(jié)合和排列形成晶核，晶核進(jìn)一步生成晶粒；③大量晶粒堆積長(zhǎng)大，沉積成垢；④不同的條件，形成不同形狀的垢。管束與分程隔板密封處，形成垢下腐蝕。當(dāng)通道內(nèi)表面有垢覆蓋時(shí)，在Cl-和垢的共同作用下產(chǎn)生閉塞效應(yīng)，形成腐蝕微電池，引起局部腐蝕穿孔。Cl-是閉塞效應(yīng)形成的催化劑，凝液中溶解的CO2會(huì)加速閉塞腐蝕微電池內(nèi)環(huán)境惡化，加速穿孔[6-7]。

圖3 堵塞物黑色粉末

圖4 單井取樣出砂情況

3.3.3 縫隙腐蝕分析

雅站二級(jí)凝析油換熱器腐蝕管束主要集中分布在分程隔板上第一排位置，有21根管束,與管板分程隔板的交界處的腐蝕串漏明顯；管板分程隔板下的腐蝕呈現(xiàn)坑蝕形貌。換熱器管束與管板連接方式通常有脹接法、焊接法和脹焊結(jié)合法3種[8]，3種方式都容易產(chǎn)生縫隙，產(chǎn)生沉積物，發(fā)生縫隙腐蝕。管束受到腐蝕介質(zhì)的腐蝕和管束堵塞物的作用，容易造成腐蝕穿孔。縫隙腐蝕影響因素有：①溶解氧影響。凝析油中溶解氧含量增多，縫隙內(nèi)外的氧濃差增加，利于縫隙腐蝕的發(fā)生；②溫度影響。溫度升高，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，加速金屬管板的腐蝕；③氯離子的影響。一般情況下，氯離子濃度越高，發(fā)生縫隙腐蝕的傾向性越強(qiáng)。氯離子對(duì)縫隙腐蝕作用主要表現(xiàn)為兩方面：①氯離子增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電性，加速腐蝕；②由于氯離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，最容易穿透氧化膜內(nèi)極小的孔隙，到達(dá)金屬表面，并與金屬相互作用形成了可溶性化合物，使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，金屬產(chǎn)生腐蝕穿孔。

4 結(jié)論和建議

雅站二級(jí)凝析油換熱器管束腐蝕主要為由內(nèi)向外的結(jié)鹽腐蝕，管束外壁比較干凈,肉眼基本上觀察不到明顯腐蝕痕跡；管束與管板分程隔板密封處腐蝕為結(jié)鹽、結(jié)垢所引起的垢下腐蝕和縫隙腐蝕共同作用下的腐蝕。

為減緩凝穩(wěn)單元換熱器管束腐蝕問(wèn)題，根據(jù)管束腐蝕現(xiàn)狀和腐蝕因素分析，對(duì)換熱管束提出以下防腐蝕建議：

(1)換熱器管束必須選擇抗腐蝕材質(zhì)。

(2)對(duì)于碳鋼材質(zhì)的換熱器,管束與管板焊接后,管束應(yīng)進(jìn)行整體涂裝處理(如采用鈦納米涂層技術(shù))，從而增強(qiáng)抗腐蝕能力。

(3)在換熱器前端加注藥劑，減緩結(jié)鹽、結(jié)垢,抑制垢下腐蝕。

(4)在凝液進(jìn)換熱器前加裝除砂器，分離脫除凝液中的泥砂。

(5)優(yōu)化洗鹽流程，在計(jì)量單元凝液進(jìn)換熱器前進(jìn)行水洗脫鹽處理。