某氯乙烯裝置氯化氫塔保溫層下腐蝕原因分析

李開亞，劉國棟，楊雄，陳賢洮

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽 合肥 230031）

保溫層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，英文縮寫CUI）是指發(fā)生在包裹保溫隔熱材料的金屬容器、管道等設備外表面，由于水分及腐蝕性介質滲入而引發(fā)的一種腐蝕現(xiàn)象。由于外部防護層以及保溫材料的覆蓋，使得CUI 現(xiàn)象很難在第一時間被發(fā)現(xiàn)，具有隱蔽性，難以檢測的特點，故很容易引起嚴重的突發(fā)性泄漏事故。筆者曾參加某廠氯乙烯裝置停工檢修時設備全面檢驗工作，發(fā)現(xiàn)該裝置一臺氯化氫塔外壁部分位置保溫層下腐蝕減薄尤為嚴重，局部腐蝕穿透，塔體輕微變形。現(xiàn)針對該設備腐蝕情況，分析其產(chǎn)生原因，進而提出相關建議。

1 設備運行參數(shù)及工藝概述

（1）設備運行參數(shù)。此臺塔器2004 年投用，至本次檢修已使用超過13 年。塔內徑：上1500/ 下2400mm，塔高：36478mm，筒體名義厚度：上段14mm、錐段22mm、下段16mm，封頭名義厚度：上14（實用16）/ 下16（ 實 用18）mm， 腐 蝕 裕 度：3mm，塔體材質：上段09MnNiDR、錐段16MnR、下段16MnR，設計壓力：1.6/-0.1MPa，工作壓力：1.45/-0.1MPa，設計溫度：上段140/-45℃、下段220℃，工作溫度：上段≤120/≥-40、下段≤180，工作介質：HCL、VCM（氯乙烯）、EDC（二氯乙烷）。

（2）運行工藝概述。氯乙烯生產(chǎn)過程中，生成的精二氯乙烷加熱到一定的溫度發(fā)生裂解反應，生成裂解反應產(chǎn)物氯乙烯、氯化氫和少量未裂解的二氯乙烷，裂解反應產(chǎn)物進入急冷塔冷卻后，塔頂氣相再與原料二氯乙烷換熱，經(jīng)空冷、水冷等方式冷卻后進入氯化氫塔。裂解反應產(chǎn)物首先在氯化氫塔上段中分離出高純度的氯化氫，經(jīng)冷卻回收后的氯化氫送往氧氯化工序，氯化氫塔塔底物料送入氯乙烯塔，經(jīng)氯乙烯塔和氯乙烯氣體塔分離最終得到產(chǎn)品氯乙烯單體。

2 檢驗過程與結果

（1）宏觀檢驗。根據(jù)該塔器的結構特點，分別對該塔外壁上段、錐段、下段抽取部分位置拆除保溫層，對塔體進行宏觀檢驗。

拆除外保溫前發(fā)現(xiàn)鋁皮除部分位置有輕微腐蝕破損外其余位置基本完好，難以看出內部真實腐蝕情況。拆除外部鋁皮和保溫層后，發(fā)現(xiàn)保溫支撐圈上部塔體外部銹層很厚，呈多層、疏松狀，部分位置外部銹層呈黑色及褐色狀，內部銹層呈褐色及紅色狀，塔外壁腐蝕特別嚴重，如圖1、圖2 所示。將外部腐蝕雜物清理后發(fā)現(xiàn)，塔體表面凹凸不平，密集腐蝕坑，部分位置已經(jīng)腐蝕穿透，腐蝕嚴重部位處塔體有輕微變形，如圖3、圖4 所示。另外對塔體內部宏觀檢驗均未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

經(jīng)宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴重部位均在保溫支撐圈上部約600mm 范圍以內區(qū)域，故對該塔其他保溫支撐圈附近保溫拆除進行檢驗，發(fā)現(xiàn)均有不同程度類似情況的腐蝕。

圖1

圖2

圖3

圖4

（2）壁厚測定。使用CTS-30A 型超聲波測厚儀對塔體上、下封頭，上段、錐段、下段筒體進行壁厚測定。根據(jù)宏觀檢驗及壁厚測定結果，發(fā)現(xiàn)該塔上下封頭無明顯腐蝕，壁厚正常，筒體上段外部未見保溫支撐圈露出，筒體狀況良好，壁厚正常，錐段表面有輕微腐蝕，但壁厚基本正常。

筒體下段有四處保溫支撐圈，分別對四處保溫支撐圈相連的上部約600mm 內的腐蝕區(qū)域進行壁厚測定，在此區(qū)域內，測厚區(qū)1、2 壁厚減薄最嚴重，測厚區(qū)1 筒體已經(jīng)腐蝕穿孔，測厚區(qū)2 測得筒體壁厚最小為1.9mm，測厚區(qū)3 測得壁厚最小為12.0mm，上次檢驗減薄區(qū)域外部經(jīng)玻璃鋼處理后本次測得厚度變化較小，測厚位置示意如圖5 所示。另外對筒體保溫支撐圈相連600mm 范圍以外部位測厚，測得壁厚基本無減薄。

圖5

（3）表面及埋藏缺陷檢測。使用DA1203 型便攜式交流磁探儀以及PXUT-350+型數(shù)字脈沖超聲波檢測儀對抽查部位對接焊縫進行表面檢測以及內部埋藏缺陷檢測，均未發(fā)現(xiàn)可記錄超標缺陷。

3 腐蝕原因分析

根據(jù)Geary W.、姜瑩潔等研究分析認為水分或腐蝕性介質滲入、溫度是造成CUI 的主要原因，這也與多數(shù)學者研究結果相一致。以下將結合該氯化氫塔自身結構分析其產(chǎn)生CUI 的原因。

（1）保溫支撐圈結構與保溫層厚度不合理。根據(jù)塔器設計技術規(guī)定，得知該氯化氫塔保溫支撐圈應劃歸為I 型結構，但又不完全符合I 型結構設計。I 型結構設計，根據(jù)不同塔徑，單個保溫支撐圈一般由4～8 塊組成，保溫層厚度比保溫支撐圈寬度大10～50mm，表1為保溫層厚度與保溫圈寬度對應尺寸關系。

該塔保溫支撐圈為整圈整體焊接在筒體外壁，且保溫層厚度小于保溫支撐圈寬度，故保溫支撐圈結構與保溫層厚度不合理，雨水等液體在其凸出部位積累，進而滲入保溫絕熱材料內形成聚集，難以揮發(fā)，圖6、7所示為現(xiàn)場保溫支撐圈與保溫層實際位置?，F(xiàn)場檢驗時發(fā)現(xiàn)具有類似保溫圈結構凸出的塔器，筒體外壁腐蝕情況為靠近保溫圈的區(qū)域，均比遠離保溫圈區(qū)域嚴重。

表1 mm

圖6

圖7

（2）外保溫隔熱材料對液體的毛細吸附作用。該塔外保溫隔熱材料為巖棉，其優(yōu)點有導熱系數(shù)小、不可燃等，但不防潮濕、雨水，具有吸水性、親水性。巖棉本身為致密纖維結構，對液體具有毛細作用，當雨水和腐蝕性液體聚集時便被吸附進保溫材料中。另外保溫材料與容器或管道貼合時形成的細小間隙也會使雨水和腐蝕性液體滲入以致聚集和濃縮，增強腐蝕性。加之保溫材料外部由鋁箔等防護層存在使得雨水等液體不易揮發(fā)，形成長期密閉的腐蝕環(huán)境。

（3）外防腐涂層脫落。防腐涂層直接阻隔外腐蝕環(huán)境與金屬表面接觸，對金屬防腐至關重要，但隨著時間增加，熱膨脹與收縮的影響，以及涂層本身降解失效等原因，涂層會部分分層或脫落，以致金屬直接裸露，與雨水等雜質接觸造成腐蝕。

（4）發(fā)生在腐蝕溫度區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗以及相關資料顯示，當溫度在-4～175℃區(qū)間時，處于相對潮濕環(huán)境下的鋼材，包覆在保溫層下時，最容易發(fā)生腐蝕，且在達到水的沸點之前，溫度每升高15 到20℃，腐蝕速率就會加倍。

該塔下段工作溫度≤180 ℃，上段工作溫度≤120℃，塔頂部工作溫度≥-40℃，塔體下段至上段，溫度減小，設備運行時受工藝影響，塔體溫度也會有所波動，加之塔體連接外保溫圈外露散失部分熱量，使得保溫圈附近塔體溫度更靠近易腐蝕溫度區(qū)間的中心。另外受季節(jié)、晝夜溫差、雨雪等氣候影響，使得靠近保溫圈處保溫材料內的濕氣在溫差下形成微循環(huán)，加速塔體腐蝕。

（5）生產(chǎn)工藝及環(huán)境因素影響。檢驗過程中發(fā)現(xiàn)該廠設備整體腐蝕情況較為突出，受工藝及環(huán)境因素影響所致。針對該氯化氫塔腐蝕情況，據(jù)車間技術人員介紹得知旁邊的洗滌塔塔頂排出氣體對氯化氫塔的腐蝕也有一定影響。

急冷氣在通過洗滌塔后，有少量未被完全吸收的酸性氣體排入大氣，這部分酸性氣體以HCL 氣體為主，當遇到風雨天氣時，酸性氣體溶于雨水后被風吹落至氯化氫塔外保溫防護層上，在外凸的保溫圈處積累、滲透進入保溫材料至筒體外壁，如圖8 所示，在溫度、干濕循環(huán)作用下，酸性腐蝕液濃度增加且難以揮發(fā)長期積累，對塔體造成嚴重腐蝕，現(xiàn)場檢驗時也發(fā)現(xiàn)腐蝕穿透部位為靠近洗滌塔一側。

圖8

4 結語

（1）結論。①保溫圈寬度大于保溫材料寬度，保溫圈根部容易積液；②保溫材料對雨水的毛細吸收作用；③設備使用時間較長，外防腐涂層失效；④塔器腐蝕段工作溫度處于易發(fā)生CUI 的溫度區(qū)間-4～175℃；⑤外界環(huán)境中含有酸性介質，且容易滲入塔體保溫層內。

（2）建議。①合理設計和使用保溫材料與保溫圈，可選擇新型疏水性保溫材料，保溫圈可用釘或勾類結構，保溫材料與保溫圈之間寬度應符合規(guī)范要求；②防腐涂層升級，如使用環(huán)氧酚醛涂料或熱噴鋁等。另外現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)廠方外糊玻璃鋼也是一種簡便有效的方法；③設備維護、檢驗時注意工作溫度在-4～175℃區(qū)間的設備保溫層下腐蝕情況，對容易發(fā)生積液，或保溫破損的地方重點觀察和檢驗，對外露的銘牌、接管及支架等易滲入雨水及熱量散失的地方也應重點觀察和檢驗；④注意相鄰設備熱量、排出物及揮發(fā)物的影響，及時做好隔離或有效防護措施。