活性焦脫硫脫硝再生塔換熱管腐蝕原因分析

鄭 陽

(上?？肆颦h(huán)保科技股份有限公司南京分公司,江蘇 南京 210015)

活性焦脫硫脫硝再生塔是以換熱結(jié)構(gòu)為主的設(shè)備,管程走吸附飽和的活性焦顆粒,殼程走換熱氣體。其部分換熱管是采用熱浸鍍鋁和高溫?cái)U(kuò)散后的包復(fù)金屬材料,具有較好的高溫抗氧化能力和抗剝落能力,在干燥的高溫氣體中具有穩(wěn)定的使用周期。某公司的一臺(tái)脫硫再生塔換熱管,在使用過程中出現(xiàn)了因腐蝕而穿孔的現(xiàn)象。為查明其損壞失效的原因,割取兩節(jié)具有代表性的管段進(jìn)行腐蝕調(diào)研,通過判斷腐蝕類型,并利用金相分析、掃描電鏡分析和X-RAY能譜分析等手段對(duì)腐蝕產(chǎn)物和腐蝕介質(zhì)進(jìn)行分析,探明脫硫再生塔換熱管腐蝕的原因,并提出防護(hù)措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕狀況

為判斷脫硫再生塔換熱管的腐蝕類型,對(duì)腐蝕管段外壁面和內(nèi)壁面的腐蝕狀況進(jìn)行分析。圖1為腐蝕管段外壁面形貌,由圖1可以看出,其中一節(jié)管段因腐蝕已經(jīng)完全穿孔,腐蝕穿孔集中于管子的特定部位,管子的外壁似乎沒有特別的腐蝕跡象,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)其外壁腐蝕輕微,腐蝕減薄后的刃口在外壁一側(cè),因此,腐蝕主要來自于管子的內(nèi)壁。另一節(jié)管段則在管子外壁表面某一方位有一連串斑塊狀的腐蝕淺坑,淺坑中心是黑褐色的腐蝕點(diǎn)狀凹坑,淺坑周邊呈現(xiàn)亮銀色。

圖1 腐蝕管段外壁面形貌及局放

由圖2可知,內(nèi)壁面腐蝕減薄嚴(yán)重,但腐蝕減薄集中于局部且具有流動(dòng)沉積狀態(tài),是典型的電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物堆積形貌,此外,可以清晰地觀察出腐蝕后的刃口在外壁,所以腐蝕主要發(fā)生在管段內(nèi)壁。

2 腐蝕產(chǎn)物和腐蝕介質(zhì)分析

為探究脫硫再生塔換熱管腐蝕的具體原因,利用掃描電鏡分析、金相分析、X-RAY能譜分析以及元素線掃描分析對(duì)腐蝕管段的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕介質(zhì)進(jìn)行了分析研究。

圖3為腐蝕穿孔的管段金相分析照片。由圖3可知,管子的顯微組織為細(xì)小的鐵素體和細(xì)小的珠光體,未發(fā)現(xiàn)異常組織;內(nèi)壁局部腐蝕嚴(yán)重,呈現(xiàn)典型的電化學(xué)腐蝕特征(微電池),外壁的滲鋁層外形完整,鍍鋁層和滲鋁層清晰,具有良好的抗高溫氧化能力,尤其是面對(duì)干煙氣,滲鋁管的腐蝕有限。

圖3 管子截面的微觀金相分析照片

圖4為腐蝕管段內(nèi)壁面的電鏡掃描結(jié)果。由圖4可知,腐蝕產(chǎn)物因后期的水分蒸發(fā)而呈固形物。為查找引起脫硫再生塔換熱管腐蝕的特定介質(zhì),對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了X-RAY能譜分析,并對(duì)腐蝕坑邊緣進(jìn)行了特定元素的線分布掃描。

圖4 腐蝕管段內(nèi)壁面掃描電鏡結(jié)果

圖5為腐蝕管段蝕坑底部和蝕坑邊緣的X-RAY能譜分析結(jié)果。由圖5可知,腐蝕產(chǎn)物中含有硫、氯、氧等可致腐蝕性介質(zhì),其中鐵元素和鋁元素的含量最高,蝕坑底部的氧元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蝕坑邊緣,這些介質(zhì)均來自于脫硫工藝過程?？紤]到材料的耐蝕特性及腐蝕介質(zhì)的特性,針對(duì)鐵、鋁、硫及氧四種元素,對(duì)腐蝕坑邊緣的元素分布情況進(jìn)行了線掃描。

圖5 換熱管腐蝕區(qū)域產(chǎn)物X-RAY能譜分析結(jié)果

圖6為腐蝕管段內(nèi)壁面的元素分布掃描結(jié)果。結(jié)合圖5和圖6可知,腐蝕管段的內(nèi)壁面鋁含量高達(dá)百分之十幾,應(yīng)該具有良好的抗高溫氧化(干煙氣)能力,不應(yīng)該出現(xiàn)這種異常腐蝕穿孔;蝕坑內(nèi)外的硫含量變化不大,說明與工藝接觸的管子內(nèi)壁面腐蝕條件基本一致;蝕坑內(nèi)氧元素含量較高,這是腐蝕產(chǎn)物組成物中的一種重要形式。

圖6 管子內(nèi)壁面元素線分布掃描結(jié)果

3 結(jié)果分析

綜合上述分析可知,對(duì)于脫硫再生塔腐蝕穿孔的換熱管,其腐蝕介質(zhì)均來自于脫硫工藝過程,這些介質(zhì)在干氣體狀態(tài)時(shí),對(duì)滲鋁管的腐蝕性極小,至少在短期內(nèi)不至于出現(xiàn)因腐蝕而穿孔的現(xiàn)象。同時(shí),電化學(xué)腐蝕需要電解質(zhì)的存在,而水及其溶液就是一個(gè)極好的電解質(zhì)。根據(jù)服役工藝條件,在正常條件下,管子的溫度超過了該工藝壓力下的露點(diǎn),因此,正常情況下也不會(huì)發(fā)生類似腐蝕。只有出現(xiàn)意外時(shí),例如,該處溫度低于該工藝壓力下的露點(diǎn),則出現(xiàn)凝液,導(dǎo)致形成良好的電解質(zhì),在含硫、氧及氯的電解質(zhì)中,熱浸鍍鋁管將發(fā)生不可鈍化的活化電化學(xué)腐蝕,其腐蝕速度極快,在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成管子腐蝕穿孔。因此,管子局部意外凝液是本次脫硫再生塔換熱管腐蝕穿孔的主要原因。

對(duì)于外壁面某一方位具有一連串斑塊狀腐蝕淺坑的管段,經(jīng)過解剖分析發(fā)現(xiàn),斑狀蝕坑的中心是一個(gè)點(diǎn)狀小坑,而坑的周邊是一個(gè)更淺的腐蝕淺坑。根據(jù)液滴下的氧濃差電池的腐蝕機(jī)理,在點(diǎn)狀蝕坑的中心因?yàn)槿毖醢l(fā)生金屬的氧化反應(yīng),而蝕坑的周邊則發(fā)生氧的還原反應(yīng),還原反應(yīng)的產(chǎn)物是OH-,由于在高溫下鍍鋁管的表面有一層氧化鋁層,故此產(chǎn)物在面對(duì)熱浸鍍鋁管時(shí)可輕易將氧化鋁溶解。于是,點(diǎn)狀液滴的中心金屬被氧化腐蝕,點(diǎn)狀液滴的邊緣氧化鋁被腐蝕還原所產(chǎn)生的OH-所溶解,進(jìn)而發(fā)生輕微溶解腐蝕,這是熱浸鍍鋁管的特殊腐蝕現(xiàn)象。特別要注意的是,水滴或液滴是出現(xiàn)斑狀腐蝕現(xiàn)象的重要前提條件,其腐蝕機(jī)理見圖7。

圖7 斑狀腐蝕機(jī)理示意

4 結(jié)語

為探究某脫硫再生塔換熱管在使用過程中出現(xiàn)腐蝕穿孔的原因,觀察了腐蝕穿孔管段的內(nèi)外腐蝕壁面,對(duì)管段的截面和內(nèi)壁面分別進(jìn)行了金相分析和掃描電鏡分析,并對(duì)管段腐蝕區(qū)域的產(chǎn)物進(jìn)行了X-RAY能譜分析。結(jié)論如下:①脫硫再生塔換熱管內(nèi)因意外液滴浸入導(dǎo)致滲鋁管發(fā)生電化學(xué)腐蝕,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱管穿孔;②脫硫再生塔換熱管外因意外浸入液滴而導(dǎo)致滲鋁管發(fā)生斑塊狀(氧濃差電池)腐蝕;③滲鋁管在無凝液的現(xiàn)役條件下具有良好的抗高溫氧化的能力,防止凝液的出現(xiàn)是解決上述兩種局部腐蝕現(xiàn)象最有效的方法。