ASTM SMO254板式換熱器腐蝕的原因

劉志平，王莉，張偉

（1.南昌航空大學(xué)，南昌330063；2.陜西科技大學(xué)，西安710021；3.四川大學(xué)，成都610000）

失效分析

ASTM SMO254板式換熱器腐蝕的原因

劉志平1，王莉2，張偉3

（1.南昌航空大學(xué)，南昌330063；2.陜西科技大學(xué)，西安710021；3.四川大學(xué)，成都610000）

某煉廠常壓塔頂全焊接板式換熱器（材質(zhì)ASTM SMO254），在使用約半年時間即出現(xiàn)大面積腐蝕穿孔。從現(xiàn)場情況看，換熱器常頂油氣側(cè)入口焊接面結(jié)垢嚴重，出現(xiàn)大面積銨鹽沉積，清洗后發(fā)現(xiàn)，垢下發(fā)生嚴重腐蝕，甚至穿孔。本工作從工藝防腐蝕和換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面對腐蝕原因進行了分析。結(jié)果表明：由于注水量的不足，導(dǎo)致銨鹽在換熱板表面結(jié)垢，同時“一脫三注”的不穩(wěn)定，導(dǎo)致了嚴重的垢下腐蝕。

板式換熱器；ASTM SMO 254；垢下腐蝕；常頂

1 概述

換熱器的作用是將熱流體的熱能部分傳遞給冷流體，可以保證介質(zhì)在工藝過程中達到特定溫度，在生產(chǎn)中占重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，在煉油、化工裝置中，換熱器約占總設(shè)備數(shù)量的40％，占總投資的30％～45％［1-2］。目前國內(nèi)大部分煉廠常減壓裝置換熱器主要采用管束式換熱器，由于板式換熱器傳熱效率、占地面積、靈活性等優(yōu)點，部分煉廠開始使用板式換熱器來代替管束換熱器［3-4］。但板式換熱器相對管束換熱器在結(jié)構(gòu)上存在很多的死角，容易導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)垢［5］。

某失效板材料為ASTM SMO254，厚度為1 mm，位于常壓塔頂冷凝系統(tǒng)。ASTM SMO254不銹鋼屬于超級奧氏體不銹鋼，其碳含量＜0.02％（質(zhì)量分數(shù)，下同），低于316鋼的，鉬、鎳、鉻含量均高于316L鋼，極耐裂縫侵蝕和氯離子開裂等［6-7］。

該板式換熱器在使用短短半年內(nèi)就出現(xiàn)大面積腐蝕，甚至穿孔。由于此前國內(nèi)對板式換熱器的失效研究較少，因此本工作分析其腐蝕原因，對板式換熱器及SMO254材料在常頂冷凝系統(tǒng)的使用給出了一定的建議。

板式換熱器常頂油氣側(cè)中間區(qū)域（常頂油氣入口管覆蓋處）比較清潔，周邊區(qū)域焊接面結(jié)垢非常嚴重，邊緣處還有垢物堵塞，大量垢物表層積有一層白色晶體。高壓水清洗后，中間區(qū)域腐蝕不明顯，表面光亮，無明顯腐蝕；其余部位垢物清除后，垢下已經(jīng)出現(xiàn)大面積點蝕，坑蝕，甚至穿孔。仔細觀察穿孔處，發(fā)現(xiàn)其主要呈潰瘍式穿孔，穿孔自焊接位置開始，為自外而內(nèi)的腐蝕穿孔，見圖1～3。

該組板式換熱器工藝流程如下：常壓塔頂油氣（125℃，0.07 MPa）噴出，注入中和緩蝕劑、水，進板式換熱器，而后經(jīng)過空冷器、后冷器，進入常頂回流及產(chǎn)品罐。

換熱器設(shè)計工況如下：原油側(cè)壓力2.21 MPa，入口溫度35℃，出口溫度61℃。常頂油氣側(cè)壓力0.07 MPa，進口溫度124℃，出口溫度為85.1℃。而現(xiàn)場實際常頂油氣側(cè)進口溫度為114.3～118.9℃，出口溫度為77～81.5℃，與設(shè)計值相比稍有誤差。

2 “一脫三注”控制效果情況

根據(jù)企業(yè)提供資料：該常減壓裝置主要加工含酸含硫原油，防腐蝕工藝采取“一脫三注”，運行期間各項指標控制情況見圖4～6。

由圖4～6可歸納出以下幾個關(guān)鍵線索：

（1）二級電脫后鹽含量偏高?！稛捰凸に嚪栏g管理規(guī)定》中要求，脫后鹽含量不得高于3 mg／L。2014年1～7月，二級電脫后含鹽量合格率為83.2％，最高含鹽量可達7.8 mg／L。若鹽含量超標，原油中過多的無機鹽就會進入裝置，隨著溫度的升高，這些無機鹽（如NaCl、MgCl2、CaCl2等）的水解反應(yīng)加劇，會分解生成HCl，進而影響常頂冷凝系統(tǒng)的p H和氯離子含量，會引起和加劇腐蝕。

（2）常頂注水長期不足。注水的目的有兩個：溶解氯化銨等固體鹽類，不至于結(jié)垢；稀釋HCl，控制p H?！稛捰凸に嚪栏g管理規(guī)定》中要求，常頂注水量應(yīng)控制在物流量的5％～8％。4月17日前，塔頂注水為塔頂物流量2％～3％；4月17日～7月31日，注水量提升到塔頂物料量的5％?，F(xiàn)場調(diào)查得知，注水不足主要是由于注水泵功率設(shè)計不足造成的。常頂注水長期不足，導(dǎo)致后續(xù)設(shè)備和管道內(nèi)析出的氯化銨等固體鹽類無法及時溶解、帶走，進而聚集形成垢物，最終造成垢下腐蝕，產(chǎn)生大量點蝕和坑蝕，甚至失效。同時，酸性物質(zhì)得不到中和或稀釋，也會增加腐蝕速率。

（3）常頂酸性水p H合格率低，波動較大。根據(jù)《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》，注有機胺依據(jù)排水p H為5.5～7.5。2014年1月～7月份p H合格率僅為68.3％。常頂酸性水p H不合格，將直接導(dǎo)致鹽酸腐蝕，露點溫度附近腐蝕更為嚴重，而該換熱器正好處于露點溫度工段。

綜合以上對于工藝和“一脫三注”效果的分析，通過基于風(fēng)險的腐蝕分析方法可以得出以下結(jié)論：

（1）就設(shè)備的選材而言，該組換熱器采用了很高級的選材，在工藝波動不大的工況下不應(yīng)出現(xiàn)如此嚴重的垢下腐蝕問題；

（2）通過進一步分析發(fā)現(xiàn)實際運行過程中，由于常頂長期注水不足，電脫鹽效果不穩(wěn)定，常頂酸性水p H合格率低等，導(dǎo)致大量氯化銨等固體鹽類在換熱器內(nèi)析出、聚集、結(jié)垢，造成了嚴重的垢下腐蝕；

（3）此次腐蝕調(diào)查發(fā)現(xiàn)該組換熱器的腐蝕問題屬于典型的H2S-HCl-H2O、NH4Cl-NH4HS［8-9］垢下腐蝕。

3 垢物成因分析

根據(jù)Pathfinder軟件計算，塔頂水的露點溫度為85.9℃，在此換熱器出口溫度范圍內(nèi)。同時，由于板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝壓緊而成，金屬片間間距較小但變化較大，在邊角處很容易形成滯留區(qū)［10］。而且常頂長期注水不足，電脫鹽合格率不高，p H波動都使得該換熱器內(nèi)Cl－、NH4+、H2SO3、H2S及部分有機酸等腐蝕性介質(zhì)含量偏大?？偨Y(jié)前文分析，推測結(jié)垢的具體過程為：

（1）開工階段，殘余雜物、鐵銹等在低流速區(qū)域聚集。2014年1月該套裝置至建成后首次開車試運行。開工前期，裝置會對所有設(shè)備及管線進行吹掃，但設(shè)備和管線中難免有些微小雜物、鐵銹等無法全部清理干凈。又由于該換熱器板間距很小，設(shè)計上又存在滯留區(qū)，故殘余雜物、鐵銹等就很容易在該換熱器的死角聚集。

（2）腐蝕性介質(zhì)在冷凝液中反應(yīng)，形成銨鹽垢。腐蝕性介質(zhì)Cl－的來源主要是原油中的有機氯分解和無機鹽水解；NH4+的主要來源是注水（電脫鹽注水和塔頂注水）或塔頂中和劑；S2－的來源主要是原油。由于電脫鹽合格率不高，以致原油中的鹽含量多次超標。原油中電脫鹽后剩余的氯化鹽在一定的溫度下會發(fā)生水解生成HCl，隨著溫度的升高，鹽含量的增大，水解率越高，生成的HCl越來越多。又由于現(xiàn)場設(shè)備問題，常頂注水泵功率不夠，直接導(dǎo)致常頂注水長期不足，使得反應(yīng)生成的HCl、H2S、NH3含量較高。高含量HCl、H2S、NH3的冷凝液很容易反應(yīng)，生成NH4Cl和NH4HS溶液。初凝區(qū)水量極少，NH4Cl和NH4HS濃縮，雜物做晶包，這樣NH4Cl和NH4HS就以結(jié)晶的形式析出。大量的NH4Cl和NH4HS固體聚集，又由于沒有足夠量水的溶解，沖洗，所以就形成了銨鹽垢。

銨鹽垢的形成又使得換熱器內(nèi)液體流動受阻，流速減緩，進而加速了垢物的聚集。

4 結(jié)論及建議

結(jié)合前文對該板式換熱器設(shè)計情況、工藝情況及采樣點數(shù)據(jù)等綜合分析，得出該換熱器短時間既發(fā)生嚴重腐蝕的原因有以下幾點：

（1）注水不足造成銨鹽和殘余垢物（雜物、鐵銹等）在低流速區(qū)域集聚造成腐蝕（垢污較多、流量不足、流量不均）是主因；

（2）二級電脫后含鹽量合格率為83.2％，且穩(wěn)定性不高；

（3）常頂酸性水p H波動較大，多次出現(xiàn)p H低于5的情況。

針對上述腐蝕原因，可以從以下方面改進：

（1）更新防腐蝕意識。根據(jù)設(shè)備選材相關(guān)規(guī)定，此處選擇ASTM SMO254，在工藝條件波動不大的情況下，是不會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象的。然而，在使用不到半年的情況下，該組換熱器就出現(xiàn)嚴重腐蝕。這表明設(shè)備安全使用的關(guān)鍵不在材料，而在工藝的控制和日常的保養(yǎng)。

（2）對焊接面結(jié)垢采取預(yù)防措施。ASTM SMO254可使用在高含量氯離子、海水及酸性介質(zhì)等苛刻環(huán)境中，某些情況下可與鈦材媲美。然而焊接面的抗腐蝕性能卻遠不如其本身，特別容易發(fā)生垢下腐蝕失效。所以設(shè)計時，可在換熱器入口面分布排水管，定期對入口面上的積垢進行沖洗。

（3）加強常壓塔塔頂?shù)墓に嚪栏?，提高塔頂“一脫三注”防腐蝕效果。合格的脫鹽可以很好地從源頭上減小腐蝕的發(fā)生。足量的注水，可以及時沖走常頂結(jié)晶的鹽類和稀釋HCl。

（4）加強常頂系統(tǒng)腐蝕數(shù)據(jù)的監(jiān)控，增加常頂污水p H在線監(jiān)測設(shè)備，及時指導(dǎo)常頂工藝注劑方案的調(diào)整。加強常頂冷凝系統(tǒng)的定點測厚工作，將該換熱器組及前后附屬管線作為重點測厚的監(jiān)控部位。

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Corrosion Reasons of the Plate Heat Exchanger of ASTM SMO 254 Stainless Steel

LIU Zhi-ping1，WANG Li2，ZHANG Wei3
（1.Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Shaanxi University of Science＆Technology，Xi′an 710021，China；3.Sichuan University，Chengdu 610000，China）

Perforation corrosion occurred in the tube sheet of plate heat exchanger in an atmosphere overhead condenser after service for half a year.The material of the tube sheet is ASTM SMO254.Severe scaling occurred on the surface of the plate of the heat exchanger and some ammonium salt was deposited.Severe corrosion，even perforation，was observed after cleaning the scale.The failure reason was analyzed in the view of the anti-corrosion technology and the constructure of the heat exchanger.The results show that the lacking of the water injection generated the deposition of the ammonium salt and the corrosion happened under the deposit，the instability of the technology also had some influence on the corrosion.

plate heat exchanger；ASTM SMO 254；under-deposit corrosion；overhead of atmosphere

TE624

：B

：1005-748X（2016）11-0932-04

10.11973／fsyfh-201611017

2015-05-18

劉志平（1985－），工程師，學(xué)士，從事石油化工企業(yè)腐蝕防護研究，13316346000，liu250028817＠sina.com