腐蝕完整性管理在芳烴抽提裝置中的應(yīng)用

夏康哲，垢野，張顥騫，李曉鵬，蘇靖智

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)測控技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

采用環(huán)丁砜萃取工藝提取輕芳烴是工業(yè)上生產(chǎn)苯、甲苯以及混合二甲苯的常用方法。環(huán)丁砜對(duì)芳烴組分的選擇性較高，是一種良好的有機(jī)溶劑，但其劣化腐蝕問題卻不容忽視，環(huán)丁砜性能的穩(wěn)定性，將會(huì)直接影響芳烴抽提裝置的運(yùn)行安全，更會(huì)對(duì)芳烴抽提有效性造成影響[1]。腐蝕完整性管理是指對(duì)腐蝕管理的完整性進(jìn)行審核、定期監(jiān)測并在投產(chǎn)后評(píng)估效果的整個(gè)過程。運(yùn)用完整性管理對(duì)裝置進(jìn)行評(píng)估，可以有效的預(yù)防和監(jiān)控腐蝕情況的發(fā)生。

1 芳烴抽提工藝

工業(yè)上常用的芳烴抽提工藝分為兩類，即液液抽提技術(shù)和抽提蒸餾技術(shù)。液液抽提技術(shù)的原理是利用溶劑對(duì)芳烴和非芳烴的溶解度不同而改變其在兩相中的分配，從而實(shí)現(xiàn)將芳烴分離的一種工藝。而抽提蒸餾技術(shù)與液液抽提技術(shù)不同，它是通過加入溶劑改變組分間的相對(duì)揮發(fā)度，從而在抽提精餾塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)芳烴和非芳烴的分離［2］。在近幾年的抽提裝置中，抽提蒸餾裝置的應(yīng)用明顯要多于液液抽提裝置［3］。目前國內(nèi)常用的抽提蒸餾工藝有sulfolane工藝、GT-BTX 工藝以及SED 工藝。盡管每種工藝在流程上都不盡相同，但是基本原理都是采用環(huán)丁砜作為溶劑對(duì)芳烴組分進(jìn)行萃取，其腐蝕機(jī)理及部分大致相同，本文以sulfolane 工藝為例進(jìn)行闡述。

環(huán)丁砜作為溶劑在抽提蒸餾塔內(nèi)將芳烴組分萃取后，由塔底輸送至溶劑回收塔，塔頂?shù)玫椒欠紵N組分，即抽余油。在溶劑回收塔中利用芳烴和環(huán)丁砜的沸點(diǎn)差異將兩者分離，塔頂?shù)玫侥康漠a(chǎn)品芳烴組分，塔底采出的大部分環(huán)丁砜被回收熱量后作為循環(huán)溶劑返回至抽提蒸餾塔，小部分通過溶劑再生塔去除溶劑降解產(chǎn)生的雜質(zhì)后返回溶劑回收塔。純凈的環(huán)丁砜凝點(diǎn)較高，因此在運(yùn)輸及使用過程中通常添加一定量水用于降低其凝點(diǎn)。同時(shí)水在萃取過程中可以有效的提高環(huán)丁砜的選擇性，因此在裝置運(yùn)行過程中需間斷注水。由于環(huán)丁砜在高溫下會(huì)產(chǎn)生降解，因此溶劑回收塔通常在負(fù)壓下操作，以便塔內(nèi)組分在相對(duì)較低的溫度下可以更好的分離。

2 腐蝕完整性管理

腐蝕的完整性管理是指對(duì)腐蝕管理進(jìn)行審核、檢測及效果評(píng)估的完整性過程。具體來說就是依據(jù)裝置存在的不同腐蝕機(jī)理繪制出腐蝕回路圖，通過基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）提出完整性操作窗口（IOW），并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并不斷反饋回腐蝕控制方案，整個(gè)過程形成閉環(huán)。近些年來，完整性管理正逐步成為各大石化企業(yè)進(jìn)行設(shè)備單元安全管理的重要方法［4］。通過前瞻性、科學(xué)化的腐蝕管理，可以降低設(shè)備的腐蝕問題發(fā)生率，延長維修周期，提高工作效率，降低腐蝕成本［5］。

2.1 腐蝕回路圖

依據(jù)裝置介質(zhì)、工況及腐蝕機(jī)理的不同繪制出裝置的腐蝕回路圖。腐蝕回路圖中除了包含腐蝕回路的劃分及腐蝕機(jī)理外，還將裝置工藝參數(shù)、腐蝕監(jiān)測點(diǎn)、重點(diǎn)腐蝕部位的完整性操作窗口等腐蝕相關(guān)的要素展示其中，便于管理人員和操作人員查閱。當(dāng)發(fā)生腐蝕問題時(shí)，可在圖中查到對(duì)應(yīng)位置的腐蝕機(jī)理，同時(shí)舉一反三，對(duì)同一腐蝕回路相似位置的其他設(shè)備，及時(shí)采取有效的檢測，做到防患于未然。

2.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）

RBI 是在追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念基礎(chǔ)上建立起來的一種優(yōu)化檢驗(yàn)策略的方法［6］。目的是保障設(shè)備的安全、提高企業(yè)的管理水平、提高技術(shù)人員的技術(shù)水平、優(yōu)化檢驗(yàn)策略。RBI 技術(shù)很好的將腐蝕機(jī)理融入到檢驗(yàn)分析計(jì)劃中，使裝置風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估具有了前瞻性。

如圖1所示，RBI 技術(shù)由失效概率和失效后果兩部分組成，在5×5 的風(fēng)險(xiǎn)矩陣上，將評(píng)估結(jié)果通過數(shù)據(jù)排列。在位置上可以看出，位于風(fēng)險(xiǎn)矩陣右上角的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)最高，將最有可能先進(jìn)行檢驗(yàn)。同理，位于風(fēng)險(xiǎn)矩陣左下角的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)最低，其檢驗(yàn)優(yōu)先級(jí)往往較低。通過RBI 技術(shù)，可以更為準(zhǔn)確及時(shí)的識(shí)別預(yù)測到設(shè)備存在的故障風(fēng)險(xiǎn)以及故障發(fā)生的概率，從而減少事故的發(fā)生［7］。

2.3 完整性操作窗口（IOW）

一個(gè)完整的RBI 程序需要依靠完整性操作窗口（IOW）的建立和實(shí)施來避免事故的發(fā)生。由API RP 584 可知，完整性操作窗口是裝置工藝運(yùn)行參數(shù)界限的一個(gè)子集，其目的是將可能影響設(shè)備完整性或可靠性的任何變量都得到有效的控制。如果缺乏有效的基于完整性操作窗口的工藝控制，為了找出因缺乏工藝控制而帶來可能產(chǎn)生的問題，操作人員往往需要進(jìn)行經(jīng)常性的檢驗(yàn)。而由于這種檢驗(yàn)是基于猜想進(jìn)行的，因此這樣的檢驗(yàn)缺乏安全性和經(jīng)濟(jì)性。完整性操作窗口建立后，需要進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)搜集，包括監(jiān)測儀表的顯示和報(bào)警以及取樣樣品的分析報(bào)告，從而逐步建立起IOW 數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫反饋回腐蝕回路圖中，不斷地更新、修正完整性操作窗口，從而使整個(gè)完整性管理能夠更加貼近生產(chǎn)實(shí)際，這樣就完成了整個(gè)完整性管理的全過程。

3 應(yīng)用分析

3.1 腐蝕機(jī)理

芳烴抽提裝置的腐蝕主要源自于環(huán)丁砜高溫氧化和水解，部位多集中于高溫循環(huán)溶劑系統(tǒng)中。環(huán)丁砜在高溫含氧條件下會(huì)分解為丁二烯和SO2，丁二烯聚合成高分子有機(jī)物會(huì)堵塞設(shè)備及管線，而SO2被氧化生成硫酸造成設(shè)備的腐蝕。環(huán)丁砜水解會(huì)形成磺酸化合物，由于水在運(yùn)行過程中是不可或缺的，因此環(huán)丁砜的水解幾乎使不可避免的。同時(shí)水中聚集的微量氯離子、酸類物質(zhì)，為金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕提供了所需的溶液環(huán)境［8］，水含量的增加會(huì)加速環(huán)丁砜對(duì)碳鋼材料的腐蝕。當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，環(huán)丁砜急劇劣化，環(huán)丁砜溶液的腐蝕性顯著增強(qiáng)［9］。另外環(huán)丁砜中夾帶的環(huán)丁烯砜也易分解成酸性物質(zhì)造成腐蝕。裝置內(nèi)設(shè)置溶劑再生塔的目的便是能夠及時(shí)的將環(huán)丁砜的降解產(chǎn)物排除，通常溶劑再生塔的清理周期為3～6 個(gè)月。

由于上游重整裝置需要在系統(tǒng)中注氯，因此芳烴抽提原料中幾乎不可避免會(huì)攜帶氯離子。氯離子在溶劑循環(huán)系統(tǒng)聚集，易造成點(diǎn)蝕或應(yīng)力腐蝕開裂。另外由于雨水、蒸汽伴熱管線的泄露以及循環(huán)水中夾帶的離子、微生物等也會(huì)使裝置出現(xiàn)不同程度的保溫層下腐蝕和循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕。

3.2 工藝防腐方案

在循環(huán)溶劑系統(tǒng)中設(shè)置在線監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的監(jiān)控裝置的腐蝕狀況，目前常用的兩種監(jiān)測手段是腐蝕探針和在線測厚系統(tǒng)。腐蝕探針是采用監(jiān)測部位相同材質(zhì)、規(guī)格的探針插入工藝介質(zhì)中，通過測量探針在工藝介質(zhì)中腐蝕時(shí)的電阻值的變化，推算金屬在工藝介質(zhì)中的腐蝕速度，從而間接的反應(yīng)處被測部位設(shè)備壁厚的變化。這種監(jiān)測方式靈敏度高，但不易在線維修更換，不適合在高腐蝕工況下使用。在線測厚系統(tǒng)是通過計(jì)算超聲波在被測物體表面產(chǎn)生表面回波信號(hào)的時(shí)間差來精準(zhǔn)測量金屬材料的厚度。監(jiān)測系統(tǒng)可在線安裝在設(shè)備外表面，無需停工，易維修和更換。監(jiān)測系統(tǒng)推薦的安裝位置為貧溶劑、富溶劑以及再生溶劑管線。

腐蝕回路圖（見圖2）中標(biāo)注了工藝防腐的控制指標(biāo)，即IOW。上游原料重整油中夾帶的S、O、Cl 等微量離子會(huì)在循環(huán)溶劑中累積，因此嚴(yán)格控制原料油中雜質(zhì)的含量。溶劑在循環(huán)過程中不可避免會(huì)存在一定量的損失，因此需不定時(shí)的對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)充新鮮溶劑。補(bǔ)充溶劑存儲(chǔ)在常壓儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)罐應(yīng)處于氮封狀態(tài)，嚴(yán)格杜絕空氣進(jìn)入，定期對(duì)補(bǔ)充溶劑的pH 值、氧含量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，避免溶劑降解。

另外，為了避免溶劑降解，循環(huán)溶劑系統(tǒng)的溫度一般控制在180 ℃以下，裝置再沸器熱源通常使用由4.0 MPa 蒸汽減溫減壓后得到的2.2 MPa 蒸汽，蒸汽的溫度控制在220 ℃以下。在設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)一般選用插入式再沸器，即再沸器管束整體插入嵌入到塔體內(nèi)，這樣可以使介質(zhì)更好的轉(zhuǎn)熱，避免局部溶劑受熱造成降解。同時(shí)需確保負(fù)壓系統(tǒng)的密閉性，防止外界氧氣進(jìn)入，可減緩環(huán)丁砜溶劑的氧化分解［10］。

循環(huán)溶劑的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在1.0%以下，這樣既可以在工藝上提高溶劑的選擇性、提高芳烴純度，又可以避免由于水含量過高帶來的溶劑降解。溶劑系統(tǒng)中pH 值一般通過添加單乙醇胺來控制，需要注意的是過量的單乙醇胺會(huì)在系統(tǒng)中形成新的胺鹽沉淀物，造成新的腐蝕，因此循環(huán)系統(tǒng)的pH值往往控制在6.0～8.0。

貧溶劑過濾器設(shè)置在循環(huán)溶劑進(jìn)入抽提蒸餾塔入口處，其目的是除去溶劑中的雜質(zhì)和膠質(zhì)。常用的過濾器形式一般有燒結(jié)網(wǎng)式和棉線纏繞式。由于前者可以頻繁的切除清理，因此從裝置運(yùn)行成本考慮推薦使用，尤其是在溶劑系統(tǒng)剛剛投入使用時(shí)。雖然清理溶劑過濾器在一定程度上造成溶劑的損失，但可以有效的提高溶劑運(yùn)行質(zhì)量。建議在裝置運(yùn)行初期提高清理過濾器頻率，以達(dá)到凈化循環(huán)溶劑的目的。

目前環(huán)丁砜溶劑在線凈化技術(shù)已經(jīng)在芳烴抽提裝置上得到了一定程度上的應(yīng)用。在多種在線凈化技術(shù)中，陰離子交換樹脂法的效果最佳。其原理是利用陰離子交換樹脂來脫除環(huán)丁砜溶劑中的酸性物質(zhì)，并通過堿再生樹脂達(dá)到連續(xù)脫除酸性物質(zhì)和氯離子的目的。工業(yè)上使用的結(jié)果表明，系統(tǒng)中環(huán)丁砜溶劑的pH 值上升，顏色變淡，芳烴抽提裝置的性能得到有效提升［11］。

升級(jí)設(shè)備材質(zhì)也是工業(yè)上進(jìn)行腐蝕防護(hù)的常用方法。在含水的循環(huán)溶劑系統(tǒng)中，304 不銹鋼和316L不銹鋼比20 號(hào)碳鋼更耐腐蝕，因此將與溶劑相關(guān)的換熱器管線部位改用不銹鋼材質(zhì)也可以有效的減緩腐蝕［12］。

通過使用RBI 技術(shù)分析，芳烴抽提裝置除溶劑循環(huán)系統(tǒng)外的其他部位腐蝕情況均不嚴(yán)重，因此不必投入過多的力量進(jìn)行監(jiān)控管理。裝置內(nèi)涉及到的蒸汽系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)及保溫層下存在的腐蝕的防護(hù)方法與其他裝置類似。

4 結(jié)束語

本文通過腐蝕完整性管理劃分了芳烴抽提裝置的腐蝕回路圖，分析了腐蝕機(jī)理并給出了具有參考意義的完整性操作窗口，提出了裝置腐蝕防護(hù)的重點(diǎn)部位、監(jiān)控方法及防腐建議。腐蝕完整性管理可用于各類煉油化工裝置，其得出的分析結(jié)果均具有一定的參考價(jià)值。