減壓分餾塔塔頂蒸汽噴射泵的失效原因

田繼升,王立達(dá),劉志梅,王廣洲,周英正,劉貴昌

(1.大連理工大學(xué)，大連 116024;2.山東京博石油化工有限公司，濱州 256500;3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，濱州 256500)

蒸汽噴射泵是一種無活動部件的真空泵，它以高速蒸汽作為驅(qū)動力，為目標(biāo)系統(tǒng)抽真空。蒸汽噴射泵由五部分組成：噴嘴、吸入室、混合段、喉管段和擴(kuò)散段，如圖1所示。蒸汽噴射泵的噴嘴是拉瓦爾噴嘴，這種結(jié)構(gòu)可使工作蒸汽在壓力差的作用下加速到超聲速進(jìn)入噴射泵，從而使蒸汽的靜壓轉(zhuǎn)換成動壓，在泵內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。與傳統(tǒng)機(jī)械泵相比，蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如制冷系統(tǒng)[1-4]、燃料電池系統(tǒng)[5]和多效蒸餾系統(tǒng)[6-7]。

圖1 蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of steam jet pump

某石化企業(yè)減壓分餾塔塔頂蒸汽噴射泵在服役三個月后即發(fā)生泄漏失效，檢查發(fā)現(xiàn)蒸汽噴射泵內(nèi)壁減薄，擴(kuò)散段在拆卸過程中由于嚴(yán)重減薄導(dǎo)致斷裂，如圖2所示。該蒸汽噴射泵主要為減壓塔提供真空度，由SAF 2205雙相不銹鋼制成。該噴射泵的工作蒸汽為飽和水蒸氣，入口溫度為160 ℃，壓力為0.5 MPa；引射蒸汽為減壓塔塔頂氣，內(nèi)含HCl、H2S等酸性氣體及水蒸氣，入口溫度為60 ℃，壓力為-0.095 MPa(表壓)；噴射泵出口流體的溫度為40 ℃，壓力為-0.086 MPa(表壓)。

為明確失效原因，本工作對該泄漏失效的蒸汽噴射泵進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),并提出了失效機(jī)理及防護(hù)建議，為同類失效模式的分析與防護(hù)提供參考。

(a) 斷裂

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀檢驗(yàn)

將失效蒸汽噴射泵拆卸并剖開后，可以清楚地觀察到泵體內(nèi)壁布滿了大量的凹槽狀痕跡且覆蓋有一層褐色沉積物，擴(kuò)散段的內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重減薄及變形，喉管段和混合段壁面也存在不同程度的減薄，但未出現(xiàn)變形和斷裂，如圖3所示。

圖3 失效蒸汽噴射泵內(nèi)壁腐蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of inner wall of failed steam jet pump

1.2 化學(xué)成分分析

采用Shimadzu XRF-1800 X射線熒光(XRF)光譜分析儀對失效蒸汽噴射泵的材料進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：失效蒸汽噴射泵含22.22% Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、5.10% Ni、3.38% Mo，均符合SAF 2205雙相不銹鋼的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

表1 失效蒸汽噴射泵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of failed steam jet pump (mass fraction) %

1.3 微觀腐蝕形貌觀察

采用ZEISS Ultra 55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對失效噴射泵混合段和擴(kuò)散段表面腐蝕形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：擴(kuò)散段和混合段的表面存在大量片層狀和階梯狀的結(jié)構(gòu)；在片層結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)缺失，導(dǎo)致了片層間隙的產(chǎn)生；在擴(kuò)散段表面出現(xiàn)大量由機(jī)械應(yīng)力引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形，例如片層的折疊、彎曲以及斷裂；在片層結(jié)構(gòu)表面，出現(xiàn)可被觀察到的晶界結(jié)構(gòu)，這表明片層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度同樣可能出現(xiàn)下降。

1.4 金相分析

從蒸汽噴射泵失效部位切割取樣，試樣尺寸為8.6 mm×8.6 mm，由于減薄程度不同，試樣厚度從0.5 mm到3.5 mm不等。將試樣鑲嵌于環(huán)氧樹脂中，依次用200號、600號、1000號、1 500號SiC砂紙打磨，并拋光。然后，根據(jù)GB/T 13305-2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》對試樣進(jìn)行刻蝕?？涛g液為用10 g鐵氰化鉀粉末和15 g氫氧化鉀粉末溶解于100 mL去離子水中配制的混合溶液。在(90±2 )℃的恒溫水浴中，將試樣置于刻蝕液中浸泡30 min。然后依次用去離子水和異丙醇洗滌刻蝕面，通過Olympus BX51M金相顯微鏡觀察刻蝕試樣剖面的顯微組織，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見：經(jīng)過鐵氰化鉀刻蝕后，鐵素體被染色，為圖中較暗區(qū)域，而奧氏體未被染色，為圖中明亮區(qū)域；在未被腐蝕的正常SAF 2205雙相不銹鋼中，鐵素體與奧氏體相互堆疊，交替排列，如圖5(d)所示；失效蒸汽噴射泵的混合段、喉管段和擴(kuò)散段均發(fā)生選擇性腐蝕，發(fā)生溶解的為鐵素體，殘留的為奧氏體。

(a) 混合段 (b) 混合段

(a) 混合段，剖面 (b) 喉管段，剖面

1.5 腐蝕產(chǎn)物分析

采用INCA+CH5-59630能譜分析儀(EDS)對失效蒸汽噴射泵表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物的主要成分為鐵和鉻的氧化物；同時，腐蝕產(chǎn)物中硫元素和氯元素的含量較高。

圖6 失效蒸汽噴射泵表面腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of corrosion product on surface of failed steam jet pump

硫元素的主要來源是原油中的有機(jī)硫，如硫醇、硫醚、二硫醚等。有機(jī)硫在減壓精餾的過程中轉(zhuǎn)化為H2S。H2S相對減壓塔內(nèi)其他組分為輕組分，在減壓精餾塔的傳質(zhì)作用下向塔頂富集。

而氯元素在原油中以兩種形式存在：無機(jī)氯和有機(jī)氯。原油中含有的大部分無機(jī)氯可以通過電脫鹽工藝脫除，但有機(jī)氯無法用這種方式脫除。同時，有機(jī)氯在減壓精餾過程中會與水作用，生成HCl。同時，電脫鹽過程中殘留的無機(jī)氯也會生成HCl，HCl經(jīng)過傳質(zhì)過程富集在減壓塔塔頂。因此，在運(yùn)行期間，減壓塔塔頂一直處于HCl和H2S氣氛中，這種酸性氣氛為蒸汽噴射泵失效的重要原因之一。上述結(jié)果也證明，腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生與蒸汽噴射泵的腐蝕及減壓塔頂?shù)腍2S-HCl-H2O腐蝕環(huán)境有著密切的聯(lián)系。

2 失效原因分析

基于以上結(jié)果，SAF 2205雙相不銹鋼在HCl-H2S-H2O環(huán)境中的選擇性腐蝕是造成噴射泵失效的主要原因。在SAF 2205雙相不銹鋼中，鐵素體含23.66%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Cr，1.83% Mo，高于奧氏體的20.59%和1.41%，而奧氏體中的鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.91%，高于鐵素體中的(4.67%)；同時，在2 mol/L H2SO4+0.5 mol/L HCl混酸中，奧氏體相的電位略高于鐵素體相的，二者有著15 mV的電位差[8]。因此，在酸性環(huán)境中，奧氏體相和鐵素體相之間的電位差會使雙相不銹鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕，加速了鐵素體相的溶解。同時，與其他雙相不銹鋼(如SAF 2507雙相不銹鋼和SAF 2707雙相不銹鋼)相比，SAF 2205雙相不銹鋼在酸性溶液中無法產(chǎn)生可能成為鈍化膜前體的吸附膜[9]。失效蒸汽噴射泵的工作溫度為40～60 ℃，該溫度低于蒸汽噴射泵工作壓力下的水蒸氣露點(diǎn)。因此，噴射泵在工作過程中會出現(xiàn)冷凝液滴，液滴溶解氣相中的HCl及H2S，形成酸性液滴。根據(jù)文獻(xiàn)[10]報道，在HCl溶液和HCl/H2SO4溶液中，SAF 2205雙相不銹鋼顯示出強(qiáng)烈的選擇性腐蝕傾向，酸性液滴中的HCl對SAF 2205不銹鋼的選擇性腐蝕起決定性作用。同時，在常溫下對SAF 2205雙相不銹鋼無威脅的酸性介質(zhì)，在噴射泵的工作溫度(60 ℃)下同樣會使SAF 2205雙相鋼產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕傾向[11]。綜上，在噴射泵內(nèi)形成的酸性液滴會使泵體發(fā)生選擇性腐蝕。圖4中片層狀結(jié)構(gòu)的晶界紋路也表明，酸性液滴對殘留的奧氏體同樣有一定的腐蝕作用，從而造成奧氏體的強(qiáng)度下降。

從以上分析可以看出，噴射泵在酸性液滴的作用下發(fā)生選擇性腐蝕，鐵素體溶解，殘余的層狀奧氏體在高速流體的作用下折疊、彎曲并最終斷裂。當(dāng)奧氏體因沖刷而脫落后，噴射泵內(nèi)壁新鮮的鐵素體又暴露在酸性液滴中，繼續(xù)被腐蝕。上述過程形成惡性循環(huán)，使得蒸汽噴射泵的內(nèi)壁迅速變薄。

3 結(jié)論與建議

蒸汽噴射泵內(nèi)部處于典型的HCl-H2S-H2O腐蝕環(huán)境。在噴射泵的服役期間，由于流動和熱交換的作用，水蒸氣發(fā)生冷凝并溶解酸性氣體，從而形成酸性液滴，使壁面發(fā)生選擇性腐蝕。同時，內(nèi)壁也受到高速氣流引起的機(jī)械沖刷。這種電化學(xué)腐蝕與機(jī)械沖刷造成的腐蝕惡性循環(huán)導(dǎo)致了蒸汽噴射泵的快速失效。

基于上述腐蝕機(jī)理，提出如下防護(hù)建議：監(jiān)測并控制進(jìn)料原油中無機(jī)氯和有機(jī)氯的濃度，同時，優(yōu)化緩蝕劑的注入工藝，改善注劑的中和效果，進(jìn)而降低蒸汽噴射泵的失效風(fēng)險。