S Zorb裝置吸附劑提升管線的沖刷腐蝕與防護(hù)*

(中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江 寧波 315207)

某煉油廠第一套S Zorb裝置于2009年建成，設(shè)計(jì)規(guī)模為1.5 Mt/a;第二套S Zorb裝置于2014年建成，設(shè)計(jì)規(guī)模0.9 Mt/a。兩套S Zorb裝置均采用吸附脫硫工藝技術(shù)，該技術(shù)基于吸附原理對(duì)汽油進(jìn)行脫硫，通過(guò)吸附劑選擇性地吸附含硫化合物中的硫而達(dá)到脫硫目的。該技術(shù)具有脫硫率高(10 μg/g之下)、辛烷值損失小、氫耗低和操作費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。

自開(kāi)工以來(lái)，兩套S Zorb裝置的吸附劑管線沖刷腐蝕非常嚴(yán)重，沖刷腐蝕速率最大時(shí)達(dá)到24 mm/a，嚴(yán)重影響了裝置的安全生產(chǎn)和正常操作。

1 S Zorb裝置沖刷腐蝕現(xiàn)狀

1.1 沖刷腐蝕部位分析

按控制方式劃分，吸附劑管線可以劃分為重力+上下游壓力差控制和氣體提升控制。從沖刷腐蝕情況來(lái)看，重力+上下游壓力差控制的吸附劑管線，除了一些縮頸段(如：膨脹節(jié)的導(dǎo)流筒部位)存在較為嚴(yán)重的沖刷腐蝕外，總體上此類管線的沖刷腐蝕是可控的。而氣體提升控制的吸附劑管線，存在嚴(yán)重的沖刷腐蝕問(wèn)題，需要頻繁維修。該文主要針對(duì)氣體提升控制的吸附劑管線進(jìn)行分析。

按提升介質(zhì)劃分，吸附劑管線可以劃分為氮?dú)馓嵘蜌錃馓嵘?。氮?dú)馓嵘墓芫€，泄漏時(shí)會(huì)引起吸附劑循環(huán)中斷，處理故障一般需要4 h以上。但是，由于S Zorb裝置的工藝特點(diǎn)，即便短時(shí)間處理好管道泄漏，恢復(fù)正常生產(chǎn)往往需要12 h或者更長(zhǎng)的時(shí)間(吸附劑循環(huán)波動(dòng)會(huì)引起再生器器壁上的結(jié)塊脫落，再次造成吸附劑循環(huán)中斷，只能不停地拆裝管件進(jìn)行疏通)。對(duì)于氫氣提升的管線，泄漏造成的后果更為嚴(yán)重，由于氫氣泄漏而著火停工，存在較大的安全隱患(見(jiàn)表1)。由表1可以看出，存在沖刷腐蝕的部位主要集中在氣體提升控制的吸附劑管線。

表1 存在沖刷腐蝕的吸附劑管線

1.2 沖刷腐蝕的典型案例

氣體提升控制的吸附劑管線，長(zhǎng)期投用發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷腐蝕，沖刷腐蝕最嚴(yán)重的是C-2601,沖刷腐蝕速率達(dá)到了24 mm/a。隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，間斷投用的管線沖刷腐蝕問(wèn)題也日益凸顯。

1.2.1 長(zhǎng)期投用的管線

管線C-2601的主要幾何參數(shù)如表2 所示。

為了在一個(gè)平面上顯示管道的幾何模型及尺寸，將彎頭3和彎頭4在水平面上旋轉(zhuǎn)90°，使得管線在一個(gè)平面上，見(jiàn)圖1。

表2 管線C-2601的主要幾何參數(shù)

2012年6月，管線C-2601水平管段上壁發(fā)生泄漏(圖中彎頭1和彎頭2之間的水平管段)。剖開(kāi)水平管段后發(fā)現(xiàn)管線內(nèi)部有明顯的沖刷溝槽(見(jiàn)圖2)。

此后的2012年12月，該管線水平管段上壁再次泄漏。對(duì)剖管線，發(fā)現(xiàn)沖刷腐蝕形態(tài)與上次一樣，唯一的區(qū)別在于，該次泄漏部位逆流程方向“漂移”了200 mm左右。

2013年6月，該管線靠近D110的斜管上側(cè)發(fā)生了泄漏。根據(jù)測(cè)厚結(jié)果，存在多處減薄區(qū)域，而且減薄區(qū)域全部集中在管線上壁。

2013年10月21日，該管線水平管段上的彎頭外側(cè)泄漏，安排更換(彎頭壁厚9.0 mm)。11月27日定點(diǎn)測(cè)厚，測(cè)得該彎頭最薄點(diǎn)6.9 mm。12月20日對(duì)該彎頭定點(diǎn)測(cè)厚，測(cè)得該彎頭最薄點(diǎn)5.0 mm，腐蝕速率達(dá)24 mm/a。

2013年10月21日，在處理水平管段彎頭漏點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)水平管段上的手動(dòng)耐磨球閥沖刷腐蝕嚴(yán)重，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出，閥球的圓形通道已經(jīng)沖刷腐蝕成橢圓形，閥座沖刷腐蝕出臺(tái)階。

圖3 閥球的圓形通道沖刷腐蝕痕跡

圖4 閥座沖刷腐蝕處臺(tái)階

1.2.2 間斷投用的管線

間斷投用的管線，沖刷腐蝕的部位和C-2601類似。由于投用時(shí)間短，偶而發(fā)生沖刷腐蝕泄漏，總體上可控。只有C-2001，因?yàn)槲絼┝亢吞嵘龤怏w量比例嚴(yán)重失衡，吸附劑流速高，也存在較為嚴(yán)重的沖刷腐蝕。以第一套S Zorb裝置C-2001為例，2015年6月和2015年9月分別測(cè)厚一次，60號(hào)測(cè)點(diǎn)由9.32 mm減薄到8.05 mm；100號(hào)測(cè)點(diǎn)由9.11 mm減薄到7.78 mm，在此期間，這條管線間斷投用的時(shí)間累計(jì)起來(lái)約30 d，據(jù)此計(jì)算，60號(hào)測(cè)點(diǎn)的沖刷腐蝕速率為15.24 mm/a；100號(hào)測(cè)點(diǎn)的沖刷腐蝕速率為15.96 mm/a。

2 沖刷腐蝕機(jī)理分析

吸附劑提升管線沖刷腐蝕，是由于材料表面與吸附劑顆粒碰撞造成的。

采用流體計(jì)算軟件FLUENT，選用DPM兩相流模型對(duì)C-2601管道中的兩相流動(dòng)進(jìn)行了模擬[1]。幾何模型及尺寸示意見(jiàn)圖1。在管道尺寸和管道材質(zhì)、吸附劑種類和吸附劑規(guī)格一定時(shí)，管壁沖刷磨損通常取決于管道內(nèi)部流體的流動(dòng)特性和固體顆粒分布特性。

2.1 流動(dòng)特性

管道幾何不連續(xù)部位的速率分布如圖5所示。由圖5可以看出：(1)在吸附劑與氮?dú)庀嘟惶幍撞克焦芏蔚纳戏?，流速急劇降低，出現(xiàn)明顯的低速區(qū)，而水平管段下方區(qū)域?yàn)楦吡魉賲^(qū)；(2)管道中各個(gè)彎頭的內(nèi)側(cè)速度均較高，而彎頭外側(cè)的流速均稍低于彎頭內(nèi)側(cè)處的流速。

圖5 管道幾何不連續(xù)部位流速分布圖

管壁沖刷磨損的嚴(yán)重程度還與流體的流動(dòng)沖擊角(流體流動(dòng)速度與管壁表面的夾角)有關(guān)(見(jiàn)圖6)。圖6(a)中給出了吸附劑管線與氮?dú)夤芫€相交處底部水平管段下方的速度矢量圖，圖6(b)中給出了彎頭處的速度矢量圖，圖6(c)中更為直觀的給出了沿著該彎頭直管段來(lái)流方向的速度矢量圖。由圖6(a)可知，底部水平管段下方的流體流動(dòng)的速度方向幾乎與管壁平行，流體和顆粒幾乎不會(huì)與管壁發(fā)生碰撞，因此雖然水平管段下方流速較大，并不會(huì)導(dǎo)致底部水平管段下方的嚴(yán)重沖刷腐蝕。由圖6(b)和圖6(c)可知，流體流經(jīng)彎頭時(shí)，幾乎不與彎管內(nèi)側(cè)進(jìn)行碰撞，而彎管外側(cè)則直接受到來(lái)流方向流體的撞擊，更容易發(fā)生沖刷腐蝕。

圖6 幾何不連續(xù)區(qū)域的速度矢量圖

2.2 顆粒分布特性

氮?dú)馊肟谒俣纫欢〞r(shí)，不同吸附劑入口速度(v2)對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)的顆粒濃度分布見(jiàn)圖7。由圖7可知，吸附劑入口速度較小時(shí)，吸附劑集中在底部水平管段的上方；在豎直管段與斜上方管段相交的彎頭及其下游部位，顆粒大多分布在管道的上壁面處。隨著吸附劑入口速度的增大，吸附劑集中在底部水平管段的中間區(qū)域；在下游的豎直管段及斜上方管段中，顆粒大多分布在豎直管段中心向左區(qū)域以及斜上方管段中心靠上區(qū)域。吸附劑入口速度過(guò)大時(shí)，由于吸附劑入口速度大，從斜插管流入的吸附劑首先到達(dá)底部水平管段的下部，繼而由下部向水平管段的上部區(qū)域擴(kuò)散撞擊。由此可知，合理匹配氮?dú)夂臀絼┤肟谒俣?，保證流動(dòng)過(guò)程中顆粒均處于管道的中間區(qū)域，是解決沖刷腐蝕問(wèn)題的有效途徑。

2.3 沖刷腐蝕嚴(yán)重部位預(yù)測(cè)

根據(jù)管道內(nèi)流體的流動(dòng)特性和顆粒分布特性，可對(duì)管壁沖刷磨損較嚴(yán)重的部位進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)沖刷腐蝕嚴(yán)重的部位主要集中在底部水平管道上側(cè)部位、彎頭的外側(cè)部位及斜上方管段上側(cè)部位，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沖刷腐蝕情況相符。

3 監(jiān)檢測(cè)方法探討

3.1 超聲波在線測(cè)厚

超聲波在線測(cè)厚，就是當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖信號(hào)通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖信號(hào)被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。

目前，對(duì)于沖刷腐蝕嚴(yán)重的3條管線(C-2601,C-2501和C-2001)布設(shè)測(cè)厚點(diǎn)，其中第一套S Zorb裝置累計(jì)布設(shè)65點(diǎn)，第二套S Zorb累計(jì)布設(shè)54點(diǎn)，三個(gè)月測(cè)厚一次。通過(guò)定點(diǎn)測(cè)厚，積累了大量的數(shù)據(jù)。但這種測(cè)厚方式也存在缺點(diǎn)：(1)隨著提升氣體流量的變化，管線上的沖刷腐蝕部位會(huì)發(fā)生“漂移”，導(dǎo)致定點(diǎn)測(cè)厚往往不能捕捉到最薄點(diǎn)，監(jiān)測(cè)效果不理想；(2)鑒于沖刷腐蝕速率最高時(shí)達(dá)到24 mm/a，為安全起見(jiàn)，測(cè)厚頻次需要提高到一個(gè)月一次甚至半個(gè)月一次，所有工作均依賴人工完成，工作量較大。在日常測(cè)厚時(shí)，通過(guò)提高單位面積內(nèi)的測(cè)厚點(diǎn)數(shù)量、提高測(cè)厚的頻次來(lái)彌補(bǔ)以上不足，降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)在線測(cè)厚系統(tǒng)

2016年，兩套裝置均增設(shè)了自動(dòng)在線定點(diǎn)測(cè)厚系統(tǒng)：基于超聲波技術(shù)的測(cè)厚儀，由高性能電池供電，安裝在管道的定點(diǎn)測(cè)厚部位進(jìn)行定期測(cè)厚，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將測(cè)厚數(shù)據(jù)傳到無(wú)線網(wǎng)關(guān)，最后傳到腐蝕管理系統(tǒng)。

對(duì)于沖刷腐蝕嚴(yán)重的3條管線(C-2601,C-2501和C-2001)，兩套S Zorb裝置共設(shè)置14處，均采用一拖二探頭，合計(jì)28點(diǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)測(cè)厚自動(dòng)化，5分鐘測(cè)厚1次，測(cè)厚數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至服務(wù)器。優(yōu)點(diǎn)是解決了定點(diǎn)測(cè)厚工作量大的問(wèn)題，但沖刷腐蝕部位“漂移”導(dǎo)致測(cè)厚數(shù)據(jù)沒(méi)有代表性的問(wèn)題依然沒(méi)有解決。

3.3 脈沖渦流檢測(cè)

脈沖渦流采用的激勵(lì)電流是具有一定脈沖寬度的方波。在激勵(lì)電流作用下, 探頭線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)在被測(cè)金屬中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流,瞬時(shí)渦流又感應(yīng)出一個(gè)與脈沖磁場(chǎng)反向的磁場(chǎng), 從而使線圈的等效阻抗發(fā)生變化。對(duì)于脈沖渦流探頭，阻抗是被測(cè)金屬厚度的單值函數(shù)，阻抗的變化直接對(duì)應(yīng)著感應(yīng)電壓的變化,因此對(duì)得到的感應(yīng)電壓進(jìn)行時(shí)域分析,就可以得到被測(cè)金屬的厚度[2]。

和超聲波測(cè)厚相比，渦流檢測(cè)“面掃查”，檢測(cè)效率較高，有效避免漏檢。渦流檢測(cè)給出的是檢測(cè)線圈作用區(qū)域的平均壁厚值,而不是某一點(diǎn)的厚度值，因此檢測(cè)精度低于超聲波測(cè)厚，不適于局部腐蝕(尤其是點(diǎn)蝕或坑蝕)的測(cè)量，但非常適合檢測(cè)S Zorb裝置吸附劑管線的大面積沖刷腐蝕。

目前兩套S Zorb裝置渦流檢測(cè)的頻次是6個(gè)月一次。從檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，渦流檢測(cè)對(duì)腐蝕機(jī)理的分析確定有很大幫助，比較容易發(fā)現(xiàn)腐蝕規(guī)律。

4 防護(hù)對(duì)策探討

4.1 壁厚升級(jí)

對(duì)于沖刷腐蝕嚴(yán)重的3條管線(C-2601,C-2501和C-2001)，壁厚等級(jí)由Sch80升級(jí)到Sch160。以第一套S Zorb為例,C-2601公稱直徑DN100，壁厚由8.56 mm升級(jí)到13.49 mm，C-2501和C-2001公稱直徑DN80，壁厚由7.62 mm升級(jí)到11.12 mm。

計(jì)劃今后將管道的壁厚等級(jí)由Sch160升級(jí)到XXs，增加腐蝕裕量。

4.2 使用耐沖刷腐蝕的陶瓷管線

法蘭、彎管等管件陶瓷層厚度3 mm左右，一般采用整體煅燒式陶瓷內(nèi)襯工藝，即使用模具，在高溫下把陶瓷粉燒結(jié)成陶瓷管件，使用填充料將陶瓷管外壁和基管結(jié)合在一起。常溫下陶瓷層受到壓應(yīng)力，基管受到拉應(yīng)力。當(dāng)達(dá)到運(yùn)行溫度后，由于二者熱膨脹系數(shù)不一樣，熱膨脹產(chǎn)生的新應(yīng)力場(chǎng)可以和原來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)相互抵消，使陶瓷層與基管兩者處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。

直管陶瓷層總厚度0.5～1 mm，一般采用內(nèi)噴涂陶瓷層工藝，包括表面凈化、粗化、預(yù)熱、噴涂液化陶瓷及后處理等工序。核心工序是噴涂，在2 000 ℃下將陶瓷燒融液化，再以超聲速噴到工件表面，陶瓷迅速冷卻下來(lái)，粘結(jié)到工件表面，形成一層高硬度的陶瓷層。

陶瓷層的硬度非常高，陶瓷管線具有很好的耐沖刷腐蝕能力，使用效果良好。但缺點(diǎn)也很明顯：(1)陶瓷層和基管的熱膨脹系數(shù)差別大，雖然理論上熱膨脹產(chǎn)生的新應(yīng)力場(chǎng)可以和原來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)相互抵消，使陶瓷層與基管兩者處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，但其他企業(yè)的S Zorb裝置發(fā)生過(guò)陶瓷層脫落的案例。考慮到陶瓷層脫落后產(chǎn)生的后果比較嚴(yán)重(脫落的陶瓷層容易卡在耐磨球閥內(nèi)件上，由于陶瓷硬度高，會(huì)刮花閥球和閥座，導(dǎo)致耐磨球閥的Ⅵ級(jí)密封失效，進(jìn)而造成閉鎖料斗停運(yùn)和吸附劑循環(huán)中斷)，應(yīng)選擇制造質(zhì)量過(guò)關(guān)的陶瓷管線；(2)由于陶瓷層不能焊接和熱處理，基管需要預(yù)留一定長(zhǎng)度不做內(nèi)襯，以便焊接和熱處理，相當(dāng)于留下了一個(gè)薄弱區(qū)間。如果不預(yù)留焊接的長(zhǎng)度，管道必須全部使用法蘭連接，要求現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪和制造精度達(dá)到毫米級(jí)，難度較大；(3)由于陶瓷層比較脆，為防止陶瓷層破裂，安裝時(shí)嚴(yán)禁敲擊。裝置運(yùn)行過(guò)程中，即便管道內(nèi)發(fā)生了堵塞，操作人員也不得敲擊管道，只能脫開(kāi)法蘭安排疏通，對(duì)于裝置的日常維護(hù)要求也比較高。

4.3 兩相流模擬匹配最優(yōu)工況

通過(guò)兩相流模擬分析，可以直觀地獲得吸附劑提升管線內(nèi)部的流場(chǎng)特性和顆粒分布特性，進(jìn)而總結(jié)出提升氣體量與吸附劑流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在吸附劑輸送量變化時(shí)，對(duì)提升氣體量做出相應(yīng)調(diào)整，可以有效降低沖刷腐蝕速率。但兩相流模擬計(jì)算工作量過(guò)大，目前只能提前計(jì)算出幾種常見(jiàn)工況下提升氣體量和吸附劑流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)吸附劑流量變化時(shí)，不能實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的提升氣體量并給予生產(chǎn)調(diào)整的建議。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)日常的監(jiān)測(cè)手段以脈沖渦流檢測(cè)和超聲波在線測(cè)厚相結(jié)合為主(渦流檢測(cè)6個(gè)月一次，超聲波在線測(cè)厚3個(gè)月一次)，從目前的數(shù)據(jù)來(lái)看，可以確保每次檢測(cè)都能找到最薄點(diǎn)。今后可以考慮兩種手段在時(shí)間上完全同步，先安排脈沖渦流檢測(cè)查到減薄區(qū)域，再使用超聲波測(cè)厚復(fù)查確認(rèn)。

(2)通過(guò)兩相流模擬分析，總結(jié)出提升氣體量與吸附劑流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型，給出了幾種常見(jiàn)工況下提升氣量和吸附劑流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系;確立了以工藝調(diào)整為主的原則，并結(jié)合壁厚升級(jí)，提高了管線的運(yùn)行壽命。以沖刷腐蝕最嚴(yán)重的C-2601為例，以前每年需要更換2至3次管件，在采取多種防護(hù)手段后，運(yùn)行兩年未發(fā)生泄漏(最近的一個(gè)運(yùn)行周期：2016年6月至2018年6月)。

(3)在陶瓷管道制造質(zhì)量可靠的前提下，鑒于沖刷腐蝕部位已經(jīng)確定，可以嘗試將陶瓷管線的預(yù)留焊接區(qū)域設(shè)置在沖刷腐蝕不嚴(yán)重的部位，對(duì)這些部位輔以脈沖渦流檢測(cè)手段進(jìn)行監(jiān)控；或者在沖刷腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域使用陶瓷管道，在不嚴(yán)重的區(qū)域使用常規(guī)管道，兩者通過(guò)法蘭連接。這樣既能滿足防沖刷腐蝕的要求又具備現(xiàn)場(chǎng)施工的條件，預(yù)計(jì)可以進(jìn)一步提高管線的使用壽命。