苯乙烯裝置脫氫尾氣系統(tǒng)腐蝕原因分析

崔 超，米孜拉夫·麥麥提，孫 康，王 琨

（中國石油 獨(dú)山子石化公司 乙烯廠，新疆 獨(dú)山子 833600）

苯乙烯裝置流程中，脫氫尾氣系統(tǒng)位于反應(yīng)器后，是尾氣處理及回收系統(tǒng)。某工廠苯乙烯裝置尾氣回收系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重，腐蝕部位集中在各級冷凝器進(jìn)、出口管線以及封頭等部位，嚴(yán)重影響裝置安全運(yùn)行。文中基于設(shè)備工藝流程、運(yùn)行情況、腐蝕現(xiàn)象以及檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)原因并提出預(yù)防措施。

1 脫氫尾氣系統(tǒng)流程及腐蝕概況

1.1 系統(tǒng)流程

來自脫氫反應(yīng)單元的尾氣進(jìn)入脫氫尾氣系統(tǒng)后，依次經(jīng)過尾氣壓縮機(jī)、尾氣/粗苯乙烯熱交換器 E-2439［1］、脫氫尾氣后冷器 E-2420、粗苯乙烯尾氣冷凝器E-2406，完成尾氣的增壓、一級熱量和烴類回收、二級熱量和烴類回收、三級熱量和烴類回收后，進(jìn)入尾氣吸收和解析系統(tǒng)進(jìn)一步回收烴類。其中，三個級別的熱量和烴類回收重點(diǎn)不同，總體上是逐級加強(qiáng)的，一級主要回收尾氣壓縮的熱量，二級主要回收尾氣中的烴類和水，三級進(jìn)一步回收烴類、水，同時降低和維持尾氣吸收塔吸附的溫度，盡可能地回收烴類，同時起到維持氫氣壓機(jī)入口溫度小于25℃的作用。

1.2 腐蝕概況

腐蝕發(fā)生在脫氫尾氣系統(tǒng)E-2439入口及E-2439出口至E-2420入口段（圖1）管線上。該段管線管道直徑 DN500 mm，原始壁厚 9.53 mm［2］。腐蝕定點(diǎn)測厚期間發(fā)現(xiàn)該段管線上的彎頭存在減?。?］現(xiàn)象。簡單復(fù)測［4］管壁厚度，結(jié)果與原始壁厚相近。為確保結(jié)果準(zhǔn)確性，對此段管線各彎頭進(jìn)行電渦流掃查［5］，結(jié)果表明 E-2439至 E-2420管線上的3個彎頭（2019年更換）均存在不同程度金屬損失［6］，管線上的第1個彎頭（5號）金屬損失18%，第2個彎頭（4號）有 2個點(diǎn)位減薄嚴(yán)重，測得的壁厚［7］分別為 4.2 mm和 5.08 mm，周圍點(diǎn)位測得的壁厚都是近似為9 mm，第3個彎頭（1號）金屬損失 46%（2019-01 出現(xiàn)泄漏）［8］。E-2439 入口的彎頭（8號）也存在減薄，但該彎頭自2009年至今一直未進(jìn)行更換，在原始壁厚基礎(chǔ)上減薄14%［9］，目前壁厚 8.19 mm。E-2420 出口至E-2406、E-2406出口管線均未發(fā)現(xiàn)減薄。

圖1 脫氫尾氣系統(tǒng)管線單線圖

2 脫氫尾氣系統(tǒng)綜合排查分析

2.1 設(shè)計與運(yùn)行參數(shù)對比

對設(shè)計參數(shù)與實際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比。按照工藝包設(shè)計，尾氣壓縮機(jī)出口溫度為150℃。實際操作時，尾氣壓縮機(jī)出口操作溫度設(shè)置為125℃。這種實際溫度相對設(shè)計溫度的偏差，造成了后續(xù)一系列熱交換器實際運(yùn)行溫度值與設(shè)計溫度偏差。實際運(yùn)行的各級熱交換器進(jìn)、出口溫度均低于設(shè)計溫度12～17℃。

E-2420設(shè)計上允許E-2439切至旁路之后系統(tǒng)正常運(yùn)行，故其冷卻負(fù)荷是按照尾氣壓縮機(jī)出口直接進(jìn)入E-2420考慮的，熱交換器的負(fù)荷余量較大，從而使E-2420出口溫度更低，接近循環(huán)水溫度。

2.2 設(shè)計參數(shù)核算分析

根據(jù)設(shè)計資料，E-2439入口總氣相質(zhì)量流量為12 860 kg/h。經(jīng)過E-2439時，總氣相流中有3 38 7kg/h的物料由氣相冷凝為液相并隨氣相繼續(xù)沿流程流向E-2420。經(jīng)過E-2420，總氣相中至少有共計9 310 kg/h的氣相冷凝為液相，但這些液相在熱交換器出口被排放出流程，不再隨氣相流動。

按照設(shè)計數(shù)據(jù)，尾氣粗苯乙烯熱交換器E-2439出口至E-2420的物流為氣液兩相流，氣相總質(zhì)量流量為9 474 kg/h（氣相中氫氣質(zhì)量流量1 952 kg/h），液相總質(zhì)量流量為3 387 kg/h，氣相密度為0.731 kg/m3，管線尺寸為DN500 mm?；谝陨显O(shè)計數(shù)據(jù)，該段管線計算的氣相流速為17.8 m/s。

脫氫尾氣后冷器E-2420出口至E-2406的物流，其液相經(jīng)由熱交換器出口分液直接排放至粗苯乙烯沉降罐中，因此不存在兩相流。氣相總質(zhì)量流量為3 550 kg/h（氣相中氫氣的質(zhì)量流量為1 952 kg/h），氣相密度為 0.387 kg/m3，管線的尺寸為DN450 mm，按照此數(shù)據(jù)計算，該段管線的氣相流速為15.5 m/s。

按照GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》［10］第12.0.1條確定碳鋼管中氫氣的最大流速，設(shè)計壓力在0.1～3.0 MPa時，對應(yīng)的最大流速為15 m/s。

E-2439出口至E-2420的物流流速達(dá)到17.8 m/s，流速較高且為氣液兩相流。按照GB 50177—2005中的解釋，氫氣為高純度的氫氣。本文討論的苯乙烯裝置循環(huán)氫體積分?jǐn)?shù)為94%，根據(jù)設(shè)計通用做法，可視為滿足規(guī)范要求。

2.3 取樣排查情況

對E-2439出口至E-2420物流選取分別靠近E-2439和E-2420的2個點(diǎn)進(jìn)行2組取樣，用pH計檢測的物流 pH值［11］為 7.17，離線分析的兩組物流pH值均為6.96，即E-2429至E-2420管線物流的液相物料pH值是接近中性的。

對E-2420出口的液相物流進(jìn)行pH計檢測和離線分析，pH計顯示結(jié)果為6.32，離線分析結(jié)果為6.51，可見計E-2420出口的液相流呈酸性，但酸性不高。

2.4 其他情況說明

2.4.1 測厚情況的補(bǔ)充說明

測厚發(fā)現(xiàn)的彎頭減薄不是均勻性的，減薄均發(fā)生在彎頭背彎的局部面，彎頭兩側(cè)和腹部均沒有減?。?2］。且E-2439至 E-2420的 3個彎頭中，只有第3個彎頭即腐蝕最嚴(yán)重的彎頭，而第3個彎頭的背彎側(cè)是管線的低點(diǎn)，在2021-04檢修拆除第3個彎頭后，發(fā)現(xiàn)第3個彎頭背彎處已經(jīng)穿孔泄漏，進(jìn)行了非預(yù)防性包焊處理，及時防止了彎頭背彎處介質(zhì)外漏。E-2439至E-2420的第3個彎頭及其內(nèi)部腐蝕情況見圖2。

圖2 E-2439至E-2420的第3個彎頭內(nèi)壁腐蝕情況

2.4.2 E-2439出口封頭腐蝕分析

E-2439出口封頭為錐形封頭，錐口即熱交換器的出口，由于E-2439冷卻能力過剩，導(dǎo)致熱交換器出口封頭的液相物料過多，無法及時排出（封頭底部設(shè)置有 DN25 mm［13］的排液口，但是無法及時將液體排放干凈），在錐形封頭的出口部位形成渦流，加之氣液兩相物料流速過快，對封頭出口部位腐蝕尤為嚴(yán)重，拆除封頭后發(fā)現(xiàn)出口正下方已經(jīng)減薄70%（圖3）。

圖3 E-2439出口封頭內(nèi)壁腐蝕情況

2.4.3 關(guān)于二氧化碳在水中的溶解度

二氧化碳在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，經(jīng)查28℃（E-2420出口溫度）下的溶解度為0.132 7×10-2g/mL，50 ℃（E-2439出口溫度53℃）溶解度為0.076 1×10-2g/mL，即E-2439出口的二氧化碳溶解度比E-2420出口的二氧化碳溶解度小43%［14］。

3 腐蝕原因分析及預(yù)防措施

3.1 原因分析

E-2439出口至E-2420的管線物流中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到33%，其中液相中水的質(zhì)量達(dá)到總物流質(zhì)量的13%，但由于管線內(nèi)介質(zhì)溫度較高，二氧化碳溶解度較小，其液相pH顯中性，二氧化碳溶解在水中的腐蝕作用較弱。但管線內(nèi)介質(zhì)氣相流速較大（17.8 m/s），超過 GB 50177—2005 要求，且經(jīng)過熱交換器冷卻之后的液相物料（占總進(jìn)料質(zhì)量的26.3%）無法排出而隨氣相流動，對管線、尤其彎頭部位的沖刷力較強(qiáng)，隨氣相流動的液滴受重力作用對背彎向下的彎頭（第3個彎頭）沖刷尤其嚴(yán)重，導(dǎo)致E-2429至E-2420管線上的3個彎頭均有明顯減薄，且第3個彎頭減薄最多。

E-2420出口和E-2406出口冷凝的液相均經(jīng)過分液處理及時排出了系統(tǒng)，故其氣相流動的沖刷腐蝕不明顯，不存在減薄。但是由于其溫度較低，二氧化碳的溶解度增大（pH檢測結(jié)果呈酸性），造成熱交換器封頭和液相流道上在大檢修檢查發(fā)現(xiàn)明顯的坑蝕。

目前嚴(yán)重減薄集中在E-2439出口至E-2420的管線彎頭及E-2439出口封頭，其他管線彎頭的減薄并不明顯，該段管線減薄的主要因素應(yīng)是氣液兩相高速沖刷導(dǎo)致。

3.2 預(yù)防措施

針對苯乙烯裝置脫氫尾氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的腐蝕情況，基于綜合排查分析形成的認(rèn)識，提出4點(diǎn)預(yù)防措施，①聯(lián)系專利商對尾氣壓縮機(jī)操作溫度與工藝包的偏差對運(yùn)行的影響進(jìn)行說明，對E-2439至E-2420段管線流速較大的情況進(jìn)行核算并提供評估和解決方案。②定期對尾氣系統(tǒng)所有管線、彎頭進(jìn)行測厚，及時對減薄嚴(yán)重的管線進(jìn)行補(bǔ)焊，考慮在彎頭內(nèi)側(cè)增加墊層。③將尾氣/粗苯乙烯熱交換器E-2439出口封頭改造為橢圓形封頭，并且將出口封頭的出料位置改造至封頭正下方，將大量的液體物料帶出封頭，減少對封頭的沖刷腐蝕，在出料位置正下方加裝旋風(fēng)分離器［15］，氣體排放至E-2420進(jìn)行換熱，液體直接排放至V-2202罐，減少管線中的液相物料，從而降低對E-2420入口的第3個彎頭沖刷腐蝕。④將E-2439出口封頭至E-2420入口管線、閥門及E-2420進(jìn)出口封頭全部升級為不銹鋼材質(zhì)，從根本上避免二氧化碳對管線的沖刷腐蝕。

4 結(jié)語

苯乙烯裝置脫氫尾氣系統(tǒng)的腐蝕主要是發(fā)生在彎頭部位的不均勻腐蝕。這種腐蝕根源于尾氣壓縮機(jī)出口實際運(yùn)行溫度對設(shè)計溫度的偏離，以及未時調(diào)整引發(fā)的下游冷卻器、熱交換器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)偏離，從而導(dǎo)致的物料弱酸性［16］、物流流速偏大，造成彎管處的腐蝕及沖刷加重。通常設(shè)計參數(shù)都有一定的浮動范圍，偏離引發(fā)的異常因此比較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，操作人員應(yīng)給予重視并加強(qiáng)日常工作中的監(jiān)測。