硫磺回收裝置液硫儲(chǔ)罐的腐蝕檢測(cè)與評(píng)估*

(中國石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 636156)

天然氣凈化廠硫磺回收裝置的液硫儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存熔融態(tài)硫磺的常用設(shè)備，其設(shè)計(jì)使用壽命通常為10～15 a。在液硫儲(chǔ)罐的運(yùn)行過程中，由于液硫儲(chǔ)罐長期處于酸性腐蝕環(huán)境，故易發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致金屬罐壁均勻減薄和局部腐蝕發(fā)生[1-4]。當(dāng)腐蝕嚴(yán)重時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)罐內(nèi)加熱盤管腐蝕泄漏、罐頂及通氣孔等部位腐蝕穿孔和斷裂等問題。腐蝕嚴(yán)重的部位積聚較多的FeS,也容易發(fā)生FeS自燃[5-7]。由于液硫儲(chǔ)罐是硫磺回收裝置腐蝕控制的重點(diǎn)設(shè)備，因此需要定期開展腐蝕檢測(cè)、分析與評(píng)估，判斷腐蝕形態(tài)及嚴(yán)重程度，然后有針對(duì)性地提出腐蝕控制措施，消除存在的安全隱患，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以某天然氣凈化廠硫磺回收裝置液硫儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，通過全面的腐蝕檢測(cè)分析，對(duì)液硫儲(chǔ)罐的適用性進(jìn)行了評(píng)估，也為其他企業(yè)的液硫儲(chǔ)罐評(píng)估提供借鑒和參考。

1 液硫儲(chǔ)罐概況

某高酸性天然氣凈化廠共建設(shè)有10臺(tái)容積為5 000 m3的液硫儲(chǔ)罐，供硫磺成型單元進(jìn)行固化成型。按照GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50128—2014《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工規(guī)范》對(duì)10臺(tái)液硫儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其基本情況見表1。

液硫儲(chǔ)罐為固定頂立式圓筒型的鋼質(zhì)罐，采用自支撐拱頂。罐內(nèi)底部及罐壁設(shè)有浸沒式加熱盤管，采用低壓蒸汽加熱，儲(chǔ)罐整體外包保溫層，維持罐內(nèi)液硫的溫度在135 ℃左右。罐體由四圈罐壁板上下拼接而成，由上至下共6層鋼板，鋼板厚度分別為8，9，9，11，14和16 mm，儲(chǔ)罐頂板、底板和邊緣板的厚度分別為8，10和12 mm，頂板和壁板材質(zhì)為Q345R，底板和邊緣板的材質(zhì)為Q235B，罐頂、罐壁和罐底的腐蝕余量均為2 mm，罐內(nèi)采用熱噴鋁防腐涂層。2018年10月選取液硫儲(chǔ)罐T-003進(jìn)行了全面的腐蝕檢測(cè)、分析及評(píng)估，對(duì)液硫儲(chǔ)罐的整體腐蝕情況有了掌握。

表1 液硫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)操作參數(shù)

2 腐蝕檢測(cè)與分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578—2014《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》 、SY/T 6620—2014 《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》、SY/T 6306—2014 《鋼質(zhì)原油儲(chǔ)罐運(yùn)行安全規(guī)范》和NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》，采用目視檢查、超聲檢查、滲透探傷和磁粉探傷等手段對(duì)液硫儲(chǔ)罐的整體腐蝕情況進(jìn)行了全面檢測(cè)。

2.1 宏觀檢查及測(cè)厚

分別對(duì)液硫儲(chǔ)罐的罐體結(jié)構(gòu)、罐體壁板、頂板及附件、內(nèi)部底板和罐體基礎(chǔ)進(jìn)行全面的宏觀檢查，檢查結(jié)果見表2。

表2 液硫儲(chǔ)罐的宏觀檢查結(jié)果

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐外壁、頂板外表面及加熱管防腐涂層出現(xiàn)大面積脫落，局部輕微腐蝕，最大腐蝕深度小于1 mm；第一層壁板下部由焊縫以上300 mm位置涂層破損脫落，局部腐蝕嚴(yán)重，最大腐蝕深度約1.5 mm；儲(chǔ)罐操作平臺(tái)、踏板、頂部護(hù)欄等附件腐蝕輕微，儲(chǔ)罐地基局部破損。儲(chǔ)罐外部腐蝕的主要原因在于大氣中水分穿過保溫層后滯留在罐壁與保溫層之間，水分在罐壁表面與氧氣、酸性組分共同作用持續(xù)腐蝕罐壁表面，特別是在罐壁表面涂層破損、脫落處發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[8]。此次全面宏觀檢查發(fā)現(xiàn)罐外部主要是局部腐蝕，表現(xiàn)形式為坑蝕。

檢查儲(chǔ)罐內(nèi)部發(fā)現(xiàn)：底板中幅板表面噴鋁層絕大多數(shù)破損脫落，腐蝕發(fā)生在噴鋁涂層脫落的部位，主要表現(xiàn)為均勻腐蝕和坑蝕。底板邊緣板表面噴鋁層完全脫落，表面存在多處坑蝕，腐蝕深度約1 mm，北側(cè)坑蝕最嚴(yán)重，其深度約2.2 mm。頂板表面噴鋁層約70%破損脫落，未見明顯腐蝕。壁板噴鋁層發(fā)生局部破損，面積約占5%，第三、四層壁板存在多處圓形和溝槽狀深坑，其中圓形深坑最大深度約4 mm、溝槽狀深坑最大深度約5 mm，其他部位腐蝕輕微。儲(chǔ)罐內(nèi)的操作介質(zhì)有液硫、硫蒸氣，N2，O2，H2S和SO2，腐蝕形式主要是元素硫腐蝕和低溫酸性氣腐蝕，在噴鋁涂層失效后，腐蝕介質(zhì)直接與金屬表面接觸，主要表現(xiàn)形式為均勻減薄和局部腐蝕[9]。

對(duì)儲(chǔ)罐底板、壁板、頂板和盤管進(jìn)行了密集超聲測(cè)厚，將儲(chǔ)罐的每個(gè)區(qū)域劃分多個(gè)部位，每個(gè)部位選取5個(gè)測(cè)厚位置，部分測(cè)厚數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)密集測(cè)厚發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐整體均勻腐蝕減薄較少。

表3 液硫儲(chǔ)罐測(cè)厚情況匯總

2.2 噴鋁涂層檢查

噴鋁涂層對(duì)鐵基材料具有雙重保護(hù)作用：一方面覆蓋在金屬表面，將碳鋼與腐蝕介質(zhì)進(jìn)行隔離，從而起到防護(hù)作用；另一方面，由于鋁的電極電位比鐵低，在電化學(xué)腐蝕過程中，鋁是陽極，碳鋼則為陰極，使碳鋼因極化而受到保護(hù)[10-11]。按液硫儲(chǔ)罐內(nèi)的腐蝕速率選取10 μm/a，噴鋁的厚度為0.25 mm。儲(chǔ)罐內(nèi)噴鋁的范圍主要包括底板、壁板、頂板的內(nèi)表面及加熱盤管等。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，液硫儲(chǔ)罐運(yùn)行9 a后，罐內(nèi)噴鋁涂層破損脫落嚴(yán)重。液硫儲(chǔ)罐運(yùn)行期間，儲(chǔ)罐頂板、壁板及附件等部位受到溫度變化影響，在熱循環(huán)作用下，不斷熱脹冷縮導(dǎo)致罐壁噴鋁層會(huì)產(chǎn)生裂紋、鼓脹，甚至破損脫落，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)直接與金屬表面接觸發(fā)生腐蝕。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：罐內(nèi)的腐蝕均發(fā)生在噴鋁層損壞脫落的區(qū)域，而噴鋁層完好的部位，防腐效果良好。針對(duì)噴鋁層進(jìn)行測(cè)厚檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)涂層完好部位中約50%的厚度小于0.20 mm，壁板的部分測(cè)厚數(shù)據(jù)見表4。

表4 儲(chǔ)罐壁板噴鋁層的部分測(cè)厚數(shù)據(jù)

2.3 無損檢測(cè)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》對(duì)液硫儲(chǔ)罐T-003進(jìn)行漏磁、磁粉、滲透、超聲波和衍射時(shí)差法超聲(TOFD)等無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。由表5可知，經(jīng)滲透、磁粉、超聲和TOFD檢查，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；經(jīng)漏磁檢查，底板未發(fā)現(xiàn)腐蝕當(dāng)量大于20%的缺陷。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394.1—2014《金屬材料里氏硬度試驗(yàn)》，采用DHT-300里氏硬度計(jì)對(duì)儲(chǔ)罐底板、壁板和頂板進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，液硫儲(chǔ)罐各部位材料的硬度在允許范圍內(nèi)(<200 HB)。

表5 儲(chǔ)罐T-003檢測(cè)方法、部位及結(jié)果

圖1 液硫儲(chǔ)罐各部位的硬度測(cè)試結(jié)果

2.4 金相檢測(cè)

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用徠卡工業(yè)顯微鏡分別對(duì)儲(chǔ)罐頂板、壁板和底板的焊縫區(qū)域進(jìn)行金相分析，壁板和頂板的金相組織見圖2。由圖2可以看出：液硫儲(chǔ)罐頂板、壁板和底板的焊縫、熱影響區(qū)及母材等金相組織均為鐵素體+珠光體，各部位組織正常。

圖2 焊接接頭的金相組織 200×

3 液硫儲(chǔ)罐的綜合評(píng)估

3.1 綜合評(píng)估結(jié)果

(1)儲(chǔ)罐外壁第一層壁板下部，自環(huán)焊縫向上高度約300 mm位置整圈防腐涂層破損脫落，局部腐蝕嚴(yán)重，最大腐蝕深度約1.5 mm。

(2)儲(chǔ)罐頂板外部及頂板加熱管局部有輕微腐蝕，最大腐蝕深度小于1 mm，頂板加熱管約90%的防腐涂層破損脫落。

(3)儲(chǔ)罐內(nèi)底板中幅板和邊緣板表面噴鋁涂層全部破損脫落(100%)，表面局部腐蝕嚴(yán)重，其中邊緣板的最大腐蝕深度約2.2 mm，中幅板的最大腐蝕深度約1.5 mm。

(4)儲(chǔ)罐壁板內(nèi)部噴鋁層約5%出現(xiàn)破損脫落，局部腐蝕主要集中在壁板B3-5，B3-6，B4-3和B4-4板，表現(xiàn)為圓形深坑和溝槽狀深坑，其中圓形深坑最大深度約4 mm，溝槽狀深坑最大深度約5 mm。

(5)儲(chǔ)罐頂板內(nèi)部噴鋁涂層約70%發(fā)生破損脫落，未見明顯腐蝕。

(6)對(duì)噴鋁層進(jìn)行測(cè)厚檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)涂層完好部位中約50%的厚度小于0.20 mm(初始厚度0.25 mm)。

(7)測(cè)厚、金相及其他無損檢驗(yàn)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

3.2 修復(fù)措施

(1)對(duì)儲(chǔ)罐外壁第一層下部腐蝕缺陷重新打磨，破損的防腐涂層按照相關(guān)規(guī)范重新涂敷，經(jīng)復(fù)檢合格。

(2)對(duì)儲(chǔ)罐頂板外部腐蝕嚴(yán)重部位打磨圓滑過渡，頂板外部及加熱管整體重新打磨后涂敷防腐涂層，經(jīng)復(fù)檢合格。

(3)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部壁板深坑缺陷打磨并補(bǔ)焊，底板腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行打磨圓滑過渡。

(4)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部頂板和底板進(jìn)行整體噴鋁，壁板的噴鋁涂層破損處重新噴鋁，經(jīng)復(fù)檢合格。

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)液硫儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)資料審查、現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查、無損檢測(cè)、硬度檢測(cè)和金相分析，查找腐蝕成因，并針對(duì)局部缺陷進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)復(fù)檢結(jié)果表明儲(chǔ)罐整體狀況良好，滿足下一周期安全運(yùn)行的使用要求。

(2)噴鋁涂層在高溫硫環(huán)境和濕硫化氫環(huán)境中具有良好的防護(hù)效果，能顯著提高大型液硫儲(chǔ)罐內(nèi)部的耐蝕性能；但是在熱循環(huán)作用下，噴鋁涂層會(huì)產(chǎn)生裂紋、鼓脹，導(dǎo)致破損脫落，應(yīng)加強(qiáng)熱噴涂鋁施工檢查和驗(yàn)收，需在運(yùn)行兩個(gè)周期后開罐抽檢。

(3)通過開展宏觀檢查、超聲測(cè)厚和硬度測(cè)試等常規(guī)檢查，再加上滲透、超聲波和磁粉等無損檢測(cè)，結(jié)合金相分析，對(duì)液硫儲(chǔ)罐進(jìn)行了全面檢測(cè)、分析及評(píng)估。