天然氣凈化裝置腐蝕泄漏分析及堵漏技術(shù)應(yīng)用

馬東超，高杰，邵良燕，張永濤，張金煜

（中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628415）

0 引言

天然氣凈化裝置主要是利用脫硫劑將天然氣中的硫化氫和二氧化碳脫除，凈化出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的商品氣。本文主要圍繞天然氣凈化裝置里兩處典型的腐蝕漏點(diǎn)進(jìn)行原因分析，詳細(xì)講述凝結(jié)水管線彎頭多相流沖刷腐蝕和開(kāi)工循環(huán)線濕氣頂部腐蝕泄漏的原因及相應(yīng)的堵漏處置措施。

1 凈化裝置易腐蝕部位

天然氣凈化裝置易腐蝕設(shè)備和管線主要有脫硫塔、酸水汽提塔、尾氣吸收塔、空冷設(shè)備、浮頭式換熱器等設(shè)備，易腐蝕的管道主要集中在涉硫涉酸管道、蒸汽管線、凝結(jié)水管線、高溫過(guò)燒或變徑彎頭等管線、部位。幾年來(lái)，某天然氣凈化裝置發(fā)生的多次泄漏大多由此導(dǎo)致[1-2]。

2 腐蝕泄漏原因分析及堵漏技術(shù)應(yīng)用

2.1 凝結(jié)水管線泄漏情況

因天然氣凈化裝置的工藝特性，裝置內(nèi)設(shè)備和管線不斷快速腐蝕。2020 年，某聯(lián)合裝置凝結(jié)水罐自總管回水管線彎頭處發(fā)生腐蝕減薄并穿孔泄漏，原管線壁厚10 mm，已減薄至2～3 mm。

2.1.1 腐蝕原因分析

一是電化學(xué)腐蝕。當(dāng)凝結(jié)水流體在彎頭部位忽然流向改變，其對(duì)管道表面的鈍化膜產(chǎn)生機(jī)械沖刷破壞作用，又與不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，造成比其他部位更嚴(yán)重的腐蝕磨損。這種磨損是金屬以其離子或腐蝕產(chǎn)物從金屬表面脫落，而不是純粹的機(jī)械磨損式固體金屬粉末脫落[3]。

電化學(xué)腐蝕反應(yīng)為：

二是多相流沖刷腐蝕。管道內(nèi)凝結(jié)水的流型和流速是影響沖刷腐蝕的最重要因素。當(dāng)流體流動(dòng)方向改變時(shí)，流型往往也會(huì)發(fā)生變化。由于凝結(jié)水管線內(nèi)部不同部位的流型不同，嚴(yán)重的沖刷多相流腐蝕往往發(fā)生在管線某些特定的部位，如彎頭、大小頭、管道變徑等部位。

一般情況下，隨流速增加，凝結(jié)水流體到達(dá)管壁表面的速度增加，腐蝕產(chǎn)物Fe2+離開(kāi)管道表面的速度增加，因此腐蝕速率加快。另一方面，當(dāng)凝結(jié)水流速增加使流體達(dá)到湍流狀態(tài)時(shí)，湍流和氣泡的機(jī)械沖擊作用，造成管線嚴(yán)重的局部腐蝕，使管壁迅速減薄，尤其是在管道大小頭或彎頭部位，管道表面往往呈現(xiàn)溝槽、凹痕等形態(tài)。凝結(jié)水彎頭沖刷腐蝕泄漏如圖1 所示。

圖1 凈化裝置凝結(jié)水管彎頭沖刷腐蝕

綜上，凝結(jié)水管道腐蝕泄漏是電化學(xué)反應(yīng)與沖刷力學(xué)因素共同作用所致。

2.1.2 纏繞帶和夾具法堵漏技術(shù)運(yùn)用

凈化裝置該凝結(jié)水管道工作壓力為0.35～0.4 MPa，凝結(jié)水溫度在108 ℃左右，考慮到壓力和溫度的影響，先是采用耐高溫加強(qiáng)帶進(jìn)行纏繞，止住泄漏點(diǎn)的噴濺，漏點(diǎn)經(jīng)過(guò)纏繞處理變?yōu)闈B漏，再采用夾具法進(jìn)行焊接堵漏。

主要工序：漏點(diǎn)處清理→加強(qiáng)帶纏繞→帶壓堵漏夾具測(cè)量預(yù)制→現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接→現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)檢查驗(yàn)收。

具體步驟：（1）選擇合適的耐高溫加強(qiáng)帶，施工人員穿戴好防燙服站在管道兩側(cè)配合纏繞，纏繞式確保每層都要碾壓上一層的半邊，不留有空隙。

（2）將整改漏點(diǎn)部位進(jìn)行全覆蓋纏繞，到漏點(diǎn)外延伸3～5 cm，纏繞完成確保無(wú)介質(zhì)噴濺外漏，允許輕微滲漏。

（3） 選擇兩塊與DN250 彎頭壁厚相同的鋼板，測(cè)量出DN250 和DN300 彎頭的口徑，在鋼板上畫(huà)出，并沿線在鋼板上切割出一個(gè)環(huán)板，將環(huán)板焊接在DN300 彎頭的端口，再以同樣的方法再切割出一個(gè)環(huán)板，焊接在DN300 彎頭的另一端口。

（4）夾具預(yù)制，選擇DN300 的相同壁厚相同材質(zhì)的彎頭進(jìn)行沿R 弧線中間剖開(kāi)。

（5）將初期預(yù)制的夾具帶到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步組對(duì)，將DN300 彎頭的端板擋環(huán)與DN250 彎頭的貼合部位進(jìn)行打磨修整，并將在剖開(kāi)的DN300 的彎頭內(nèi)R側(cè)開(kāi)一個(gè)直徑15 mm 的泄流孔，在該孔處焊接一個(gè)DN20 長(zhǎng)度約200 mm 的短接，短接末端再焊接一個(gè)DN20 的截止閥。

（6）夾具制作完成后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)安裝，將泄漏孔末端截止閥打開(kāi)，這樣滲漏的少量凝結(jié)水就會(huì)從泄漏孔導(dǎo)管排出，就不會(huì)影響夾具的焊接。

（7）夾具焊接完成，最后將泄漏孔截止閥關(guān)閉，整個(gè)堵漏作業(yè)完成。

加強(qiáng)帶纏繞法和夾具法堵漏技術(shù)在凈化裝置中應(yīng)用較多[4]，多用于蒸汽管線、循環(huán)水管線、凝結(jié)水管線等公用介質(zhì)管線結(jié)合堵漏。

技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)：一是選擇合適的加強(qiáng)帶，須考慮加強(qiáng)帶的耐溫耐壓特性；二是夾具數(shù)據(jù)測(cè)繪精確；三是現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)嚴(yán)實(shí)合縫；四是夾具焊接安裝質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

其中堵漏夾具現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)是完成堵漏焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。夾具組對(duì)前應(yīng)將打磨的坡口2 cm 范圍內(nèi)的油、漆、鐵銹等清除干凈，且不得有裂紋、夾層等缺陷。夾具組對(duì)時(shí)內(nèi)壁應(yīng)平齊，錯(cuò)邊量不大于管壁厚度的10%且小于0.2 cm。如壁厚不一致，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行修磨過(guò)渡。

另一關(guān)鍵要點(diǎn)是嚴(yán)控焊接質(zhì)量。該漏點(diǎn)處于彎頭，為防止再次泄漏并保證焊接質(zhì)量故采用氬弧焊打底，電焊蓋面，施焊順序嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)定要求執(zhí)行，在打底層焊縫焊接合格后，才焊接了次層。

焊接方法及焊材選擇詳見(jiàn)表1。

表1 焊接方法及焊材選擇

2.2 開(kāi)工循環(huán)線腐蝕穿孔情況

天然氣凈化裝置硫磺回收和尾氣處理單元在系統(tǒng)升溫和催化劑預(yù)硫化過(guò)程中，為平穩(wěn)控制加氫燃燒爐爐膛溫度，設(shè)置了開(kāi)工循環(huán)線，將出急冷塔冷卻后的過(guò)程氣返回至加氫燃燒爐，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫燃燒爐溫升控制。2018 年，某廠裝置開(kāi)工循環(huán)線管線頂部出現(xiàn)腐蝕穿孔，出現(xiàn)三個(gè)不規(guī)則小孔，最大直徑10 mm，泄漏區(qū)域管壁也已腐蝕減薄，最薄處至1.5 mm（原管道壁厚12 mm）。

2.2.1 腐蝕泄漏原因分析

開(kāi)工循環(huán)線接口直插在DN900 的過(guò)程氣管線上，只有在開(kāi)停工時(shí)才使用，正常生產(chǎn)時(shí)該管線蝶閥（距DN900 過(guò)程氣管線較遠(yuǎn)） 關(guān)閉，這樣會(huì)造成開(kāi)工循環(huán)線蝶閥處出現(xiàn)盲腸段。開(kāi)工循環(huán)線與加氫爐入口過(guò)程氣管線相連處溫度較高，達(dá)280 ℃，另一端盲端（正常生產(chǎn)時(shí)開(kāi)工循環(huán)線蝶閥關(guān)閉）處溫度只有40～55 ℃。由于溫度急劇降低，在盲腸段聚集的高溫酸性氣和硫蒸氣溶解于管道頂部的凝霧中，形成腐蝕性酸霧從而腐蝕管線頂部（圖2）。

圖2 腐蝕管線內(nèi)表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕

過(guò)程氣溫度和管壁溫度的溫差，是冷凝過(guò)程中傳熱過(guò)程的動(dòng)力。溫差增加會(huì)顯著增加冷凝速率，從而顯著增大頂部腐蝕速率。此外，開(kāi)工循環(huán)線蝶閥處會(huì)形成大量酸性凝液，硫化氫溶于水凝液中后呈酸性，使管材受到腐蝕，造成管壁減薄或局部點(diǎn)蝕穿孔。

2.2.3 鋼帶法與碳纖維纏繞堵漏技術(shù)

針對(duì)此漏點(diǎn)先采用鋼帶法對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行堵漏，再對(duì)該處減薄區(qū)域進(jìn)行碳纖維纏繞補(bǔ)強(qiáng)。

（1）鋼帶法堵漏技術(shù)

首先將管線表面清理，把影響施工的表面雜物（保溫、障礙物、浮銹等）清理。

主要工序：截取適量鋼帶、膠墊、緊固密封劑→調(diào)整鋼帶→用膠墊、密封劑覆蓋泄漏點(diǎn)→緊固鋼帶→鎖定鋼帶→檢查驗(yàn)收。

具體步驟：①將鋼帶卡套在鋼帶上，其長(zhǎng)度按需要截取然后將鋼帶首端穿過(guò)鋼帶卡并圍在泄漏部位外表上。

②鋼帶尾端15 mm 處折轉(zhuǎn)80°鉤住鋼帶卡。

③使鋼帶穿過(guò)緊帶器扁口及導(dǎo)向槽，將緊帶器裝在鋼帶上并使滑塊靠近扁口，然后按住壓緊桿，以防鋼帶退滑。

④轉(zhuǎn)動(dòng)拉緊把手，施加緊縮力逐漸拉緊鋼帶至足夠的拉緊程度。

⑤緊鋼帶卡上的緊定螺釘，防止鋼帶滑松。

⑥推動(dòng)切割把手割斷鋼帶。

技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)：對(duì)漏點(diǎn)的清理是關(guān)鍵一個(gè)環(huán)節(jié)，保證清理出的表面均勻平整光滑，便于覆蓋襯墊耐酸膠墊，最終用鋼帶捆扎膠墊，保證壓緊壓實(shí)；鋼帶堵漏施工結(jié)束后，為保證后續(xù)在纏繞碳纖維過(guò)程中不發(fā)生泄漏，要使用肥皂水進(jìn)行檢測(cè)確保無(wú)泄漏為止。

（2）碳纖維纏繞補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

對(duì)開(kāi)工循環(huán)線管壁減薄漏點(diǎn)處進(jìn)行鋼帶法堵漏后，又采取了碳纖維纏繞補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維是一種耐高溫耐腐蝕低密度高強(qiáng)度的新型復(fù)合材料，價(jià)格較高，多用于航空航天等高端行業(yè)。此處因管線減薄嚴(yán)重，施工嚴(yán)禁產(chǎn)生火花，故采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

具體步驟：①對(duì)有缺陷的管道表面涂層進(jìn)行清除。

②對(duì)減薄區(qū)域及腐蝕穿孔點(diǎn)進(jìn)行檢查，利用直尺、超聲波測(cè)厚儀、卡尺、測(cè)深尺等檢查深度、管壁厚度、軸向長(zhǎng)度。

③將缺陷修補(bǔ)劑涂刷于管道表面凹坑缺陷部位，修補(bǔ)至表面平整。

④利用金屬修補(bǔ)劑搭建底層，修補(bǔ)劑兩邊應(yīng)超出缺陷外側(cè)50 mm。再利用碳纖維材料纏繞第二層。在本次堵漏中，根據(jù)中關(guān)于碳纖維修復(fù)纏繞層數(shù)的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了6 層碳纖維纏繞。

技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)：一是在機(jī)械打磨、抗氧化專用清洗劑處理管道表面后，應(yīng)無(wú)可見(jiàn)的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹、涂層等附著物，管道顯露部分應(yīng)具有明顯金屬光澤。在管道基層表面處理3 個(gè)小時(shí)內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行碳纖維補(bǔ)強(qiáng)施工，避免表面再被氧化。

二是在纏繞碳纖維時(shí)遇到焊縫，使用缺陷修補(bǔ)劑進(jìn)行修補(bǔ)，以使焊縫附近表面平滑過(guò)渡，避免碳纖維發(fā)生空鼓。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著長(zhǎng)期運(yùn)行的天然氣凈化裝置中，腐蝕泄漏問(wèn)題日漸頻繁突顯，一旦出現(xiàn)泄漏，就要盡快采用不同的應(yīng)急堵漏技術(shù)進(jìn)行處理。論文中介紹的加強(qiáng)帶纏繞、安裝夾具、鋼帶法、碳纖維纏繞這4 種堵漏技術(shù)是針對(duì)不同介質(zhì)、不同實(shí)際情況在凈化裝置的成熟實(shí)踐應(yīng)用，可在生產(chǎn)裝置不停工的情況下完成緊急堵漏，堵漏效果明顯。如表2 所示，對(duì)四種常用堵漏技術(shù)進(jìn)行比較。除以上4種堵漏技術(shù)外，還有引壓法、引流法、金屬修補(bǔ)劑粘接法等堵漏技術(shù)，多形式的靈活堵漏技術(shù)在凈化裝置的成功運(yùn)用，有效保證了生產(chǎn)裝置的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行。

表2 不同堵漏技術(shù)比較