酸氣放空系統(tǒng)水封罐的選材設(shè)計

摘要：本文分析了酸氣放空系統(tǒng)水封罐的腐蝕機理，討論了酸氣放空系統(tǒng)水封罐的選材和防腐蝕措施等，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：酸氣；硫化氫；水封罐；復(fù)合板

1.概述

火炬設(shè)施是石油石化行業(yè)重要的安全環(huán)保設(shè)施，水封罐是火炬放空系統(tǒng)防回火的重要設(shè)備之一，對火炬系統(tǒng)的安全運行提供重要保障。水封罐的主要作用是：（1）防止火炬筒體回火，保護上游管道和裝置安全；（2）存在火炬氣回收裝置時，作為壓力控制設(shè)備，保持火炬排放系統(tǒng)的壓力。系統(tǒng)放空時，放空氣體先進入火炬分液罐，然后進入火炬水封罐，再去火炬進行放空處理。

2.現(xiàn)場情況

2.1 設(shè)備參數(shù)

（1）氣質(zhì)組分

（2）設(shè)計條件

操作壓力：0.03—0.1MPa；設(shè)計壓力：1.0MPa；

操作溫度：20℃—90℃；設(shè)計溫度：120℃；

正常液位高度：1800mm；PH值：6—7；容積：133m3。

2.2 現(xiàn)場情況

天然氣凈化廠低壓火炬水封罐于2010年投入生產(chǎn)運行，低壓放空氣含有H2S、CO2，另有固體顆粒雜質(zhì)存在。凈化廠低壓火炬水封罐設(shè)計壓力1.0MPa，尺寸為Φ3640×13640×20 mm，材質(zhì)為20R。

2017年11月現(xiàn)場進行檢測發(fā)現(xiàn)壁厚減薄嚴(yán)重，壁厚為設(shè)計壁厚的70%的部位占60%，在設(shè)備進口底部壁厚為設(shè)計壁厚的50%，已經(jīng)發(fā)生腐蝕穿孔，滲漏情況嚴(yán)重，不能安全運行。

3. 腐蝕原因分析

3.1主要腐蝕形態(tài)

低壓放空氣含有H2S、CO2，另有固體顆粒雜質(zhì)存在，主要腐蝕機理如下：

（1）靜態(tài)H2S-CO2液相腐蝕

硫化鐵腐蝕產(chǎn)物附著于碳鋼表面，作為陰極與鋼基構(gòu)成一個腐蝕電池，繼續(xù)對碳鋼的腐蝕。在不同的H2S濃度、PH值、溫度條件下，生成的腐蝕產(chǎn)物FexSy膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)也不同，將導(dǎo)致管材腐蝕的減緩或加速。

（2）沉積物的垢下腐蝕

垢下腐蝕是一種特殊的局部腐蝕形態(tài)，其機理是由于受設(shè)備幾何形狀和腐蝕產(chǎn)物、沉積物的影響，使得介質(zhì)在金屬表面的流動和電介質(zhì)的擴散受到限制，造成被阻塞的空腔內(nèi)介質(zhì)化學(xué)成分與整體介質(zhì)有很大差別，空腔內(nèi)介質(zhì)pH值發(fā)生較大變化，形成阻塞電池腐蝕，尖端的電極電位下降，造成電池腐蝕。按其腐蝕原理可分為酸性腐蝕和堿性腐蝕兩種。結(jié)垢后使得液相中的腐蝕成分在垢下金屬表面富集并產(chǎn)生化學(xué)腐蝕反映，腐蝕的結(jié)果是局部金屬被損傷減薄，導(dǎo)致管線穿孔泄露。

（3）沖刷磨蝕

水封罐下半部長期處于浸沒狀態(tài)，當(dāng)?shù)蛪悍趴諝馔ㄟ^進氣口進入水封罐時，氣體從進氣管底部流出時氣流方向?qū)l(fā)生改變，局部阻力增大，使得氣流形成湍流，并帶動罐內(nèi)液體發(fā)生強烈的湍動。此時，氣流與液體共同作用，造成氣液相沖刷腐蝕，由于湍流使罐內(nèi)液體的攪動，下半部罐壁與液體接觸更為頻繁，內(nèi)表面不斷被高速氣液相交替沖擊，不斷的沖刷掉已形成的保護膜或者腐蝕產(chǎn)物，交替往復(fù)，使得水封罐浸沒部分的局部腐蝕加重。

3.2腐蝕穿孔原因分析

凈化廠低壓放空水封罐材質(zhì)為碳鋼（20R），結(jié)合水封罐所處工況介質(zhì)條件和影響腐蝕的各種因素，腐蝕穿孔的原因有：

（1）形成濕H2S腐蝕環(huán)境，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從圖1可見浸沒區(qū)域越靠近底部區(qū)域腐蝕越為嚴(yán)重；

（2）放空呈現(xiàn)間歇性，在放空過程中因瞬時的壓力變化會導(dǎo)致液相中H2S、CO2濃度升高，腐蝕加?。?/p>

（3）放空氣中含有的固體顆粒形成垢下腐蝕環(huán)境，氣流對形成腐蝕的部位進行反復(fù)的沖刷侵蝕，加劇了腐蝕的進展，從圖2中可見靠近進氣口區(qū)域腐蝕最為嚴(yán)重。

4.設(shè)備選材

4.1選材方案

根據(jù)對水封罐腐蝕機理的分析，水封罐的腐蝕主要以電化學(xué)腐蝕為主，伴隨著垢下腐蝕。根據(jù)表1中的氣體組分，經(jīng)計算硫化氫分壓為0.065MPa，二氧化碳分壓為0.035MPa，根據(jù)SY/T 0599的規(guī)定屬于硫化氫腐蝕處于SSC2區(qū)，另外二氧化碳腐蝕處于中等腐蝕狀態(tài)。而且大量的實驗和實際工程表明濕H2S和CO2對碳鋼和低合金鋼有明顯的腐蝕狀況，為了防止介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕，通常采取以下措施：

（1）設(shè)備采用碳鋼材料，并進行設(shè)備內(nèi)防腐，將介質(zhì)與金屬隔開，這是防止介質(zhì)內(nèi)腐蝕腐蝕的普遍做法。

（2）設(shè)備采用耐腐蝕高合金材料。根據(jù)SY/T 0599中奧氏體不銹鋼的適用范圍：“若氯化物濃度低于50mg/L，允許的硫化氫分壓最大值為0.35MPa”，所以本工程可以選用奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上增加了Cr、Ni和Mo等合金元素，提高材料的耐腐蝕性能，典型牌號為S31603。目前為了降低不銹鋼材料的成本，碳鋼+不銹鋼復(fù)合板材料的使用較為普遍和成熟，復(fù)合板材料由基層（碳鋼）和覆層（不銹鋼）復(fù)合而成，碳鋼滿足強度要求，不銹鋼滿足耐腐蝕性能。

針對本次水封罐的操作工況，選材設(shè)計考慮以下兩種方案：

方案一：碳鋼Q245R+奧氏體不銹鋼S31603復(fù)合板；

方案二：碳鋼Q245R+防腐涂層。

4.2方案對比

（1）耐腐蝕性對比

方案一：碳鋼Q245R復(fù)合板+奧氏體不銹鋼S31603

該方案采用的復(fù)合板材料是在碳鋼的基礎(chǔ)上復(fù)合一層3mm的不銹鋼材料，與腐蝕介質(zhì)直接接觸的是不銹鋼材料，不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

方案二：碳鋼Q245R+防腐涂層

該方案采用的碳鋼材料本身不具備耐電化學(xué)腐蝕的能力，需要對設(shè)備內(nèi)部進行防腐，進而隔離碳鋼和介質(zhì)，達(dá)到防腐的目的。對于濕H2S和CO2的腐蝕工況，需要對涂料進行篩選，涂料本身的性能、施工方法和施工質(zhì)量對最終的防腐效果影響很大，一方面是涂料普遍都有老化的問題，另一方面內(nèi)防腐處理工藝復(fù)雜，表面一旦有缺陷，極易導(dǎo)致更嚴(yán)重的局部腐蝕。所以內(nèi)防腐的人為不確定因素較大，耐腐蝕性能不確定性因素多。已建的水封罐采用的20R碳鋼材料，在使用7年的時間后發(fā)生了大面積的腐蝕和穿孔，足以說明碳鋼材料耐電化學(xué)耐腐蝕的性能較差。

（2）安全性對比

方案一：碳鋼Q245R復(fù)合板+奧氏體不銹鋼S31603

該方案采用的復(fù)合板材料，不銹鋼材料直接與介質(zhì)接觸，具有較強的耐腐蝕性能，延長使用壽命，安全性較高。

方案二：碳鋼Q245R+內(nèi)防腐涂層

該方案對內(nèi)防腐涂層的要求較高，一旦內(nèi)涂層老化或者局部損壞，將加快碳鋼材料的局部腐蝕，發(fā)生穿孔，存在安全隱患，影響正常生產(chǎn)。

5.結(jié)束語

通過對凈化廠酸氣放空系統(tǒng)水封罐腐蝕問題原因的分析和選材方案對比，進而提出解決問題的方法，重點從設(shè)備選材入手，無論是從耐腐蝕還是經(jīng)濟性的角度考慮，該方案都占有一定優(yōu)勢。目前碳鋼材質(zhì)的水封罐運行7年就已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，甚存在安全隱患，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。所以，考慮“碳鋼+耐蝕合金復(fù)合板”的選材方案是較為合理的。

作者簡介：高世國，男，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）過程裝備與控制工程專業(yè)。現(xiàn)在中石化石油工程設(shè)計有限公司主要從事加熱爐及壓力容器的設(shè)計工作。

（作者單位：中石化石油工程設(shè)計有限公司）