天然氣凈化廠重沸器腐蝕原因分析與對(duì)策

林國軍

（西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 400010）

0 引言

忠縣天然氣凈化廠于2005年建成投產(chǎn)，2列裝置并列運(yùn)行，每列裝置設(shè)計(jì)處理原料氣量為300×104m3/d。其中，脫硫單元采用濕法脫硫工藝，脫硫劑為具有選擇性脫除H2S的甲基二乙醇胺溶液（Methyl Diethanol Amine，MDEA）。在每年裝置停產(chǎn)大修中，分廠都將對(duì)2套裝置的再生塔重沸器有計(jì)劃地打開檢查并全面測厚。腐蝕主要存在于筒體、管箱、內(nèi)封頭、折流板、進(jìn)出口接管等構(gòu)件，表現(xiàn)形式為腐蝕減薄。擬對(duì)再生塔重沸器的腐蝕情況進(jìn)行分析并提出相應(yīng)對(duì)策。

1 再生塔重沸器情況

忠縣天然氣凈化廠在用重沸器型號(hào)為AJS1000—1.6-280-6/25-2，為臥式平蓋管箱兩管程重沸器，殼體無隔板分流，后端為鉤圈式浮頭（圖1）。筒體、管箱、內(nèi)封頭材料為20R（新牌號(hào)為 Q245R），換熱管材質(zhì)為 0Cr18Ni10Ti（新牌號(hào)為06Cr18Ni11Ti），殼程介質(zhì)為濃度45%的MDEA半貧液（含有少量的 H2S（≤0.1 g/L）和 CO2），管程介質(zhì)為 0.4 MPa，150 ℃的飽和蒸汽。

重沸器的作用是利用飽和蒸汽溫度通過管束換熱將半貧液加熱到一定溫度，使溶液中吸收的酸性組分（主要是H2S，CO2）解吸分離出來。再生塔底部塔板上的半貧液從集液箱流出，經(jīng)1根降液管流到重沸器殼程的底部。溶液被加熱后，形成的氣液混合物由出口離開重沸器，返回到再生塔內(nèi)。

2 再生塔重沸器腐蝕現(xiàn)狀和原因分析

2.1 腐蝕現(xiàn)狀

在歷年裝置停產(chǎn)大修期間，對(duì)2套裝置脫硫單元重沸器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題。

圖1 重沸器結(jié)構(gòu)簡

（1） 重沸器筒體出口接管腐蝕減薄嚴(yán)重，主要是沖刷腐蝕和電化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果。接管規(guī)格為φ325 mm×10 mm，材料為20#。停產(chǎn)檢修時(shí)，2臺(tái)重沸器的出口接管測厚分別為（2.5 ～4）mm，（3.3 ～4）mm，（4.84 ～6.12）mm，（4.58 ～6.6）mm，設(shè)計(jì)壁厚均為10 mm。外部檢查時(shí)，均發(fā)現(xiàn)腐蝕較嚴(yán)重（圖2）。

圖2 接管腐蝕

根據(jù) GB 20801.3—2006《壓力管道規(guī)范——工業(yè)管道》第3部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算第6.1條，當(dāng)鋼管厚度t＜D/6時(shí)（D為鋼管內(nèi)徑），直管的計(jì)算厚度應(yīng)按式（1）計(jì)算[1]。

式中P——設(shè)計(jì)壓力，取1.6 MPa

S——設(shè)計(jì)溫度下管道組成件金屬材料的許用應(yīng)力，取132 MPa

Φ——焊件的縱向焊接接頭系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)，取1.0

Y——計(jì)算系數(shù)，為0.4

由計(jì)算得出安全厚度為1.96 mm，而原始厚度為10 mm，平均年腐蝕率為0.56 mm/a。以最薄區(qū)域預(yù)估使用年限為3.6 a，目前壁厚能滿足生產(chǎn)使用，但存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

（2）重沸器筒體測厚發(fā)現(xiàn)由下至上腐蝕逐漸加劇，筒體最薄處厚度7.4 mm（設(shè)計(jì)壁厚12 mm），腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域是靠近接管部位的筒體。根據(jù)受內(nèi)壓薄壁強(qiáng)度公式，計(jì)算得在設(shè)計(jì)條件下所需的壁厚為6.34 mm。實(shí)際工況下殼程壓力最大為0.1 MPa，理論所需壁厚0.4 mm，能保證運(yùn)行使用。

（3）浮頭蓋的法蘭密封面沖刷腐蝕嚴(yán)重，呈蜂窩狀；雙頭螺栓整體腐蝕嚴(yán)重（圖3）。

（4）折流板整體腐蝕較嚴(yán)重，腐蝕分布情況是從下往上逐漸減薄，最薄處厚度為3 mm（設(shè)計(jì)壁厚 8 mm）（圖4）。

（5）重沸器管箱內(nèi)壁出現(xiàn)大面積的坑點(diǎn)（圖5）。

圖3 浮頭蓋法蘭密封面和螺栓腐蝕

圖4 折流板腐蝕

圖5 管箱內(nèi)壁腐蝕

2.2 腐蝕原因分析

重沸器各構(gòu)件腐蝕程度不相同，現(xiàn)就對(duì)腐蝕的部進(jìn)行原因分析。

2.2.1 殼程腐蝕原因分析

重沸器在運(yùn)行期間，殼程的中上部為汽液混合區(qū)，主要成分為H2S和CO2混合氣，但溶液中仍含有少量未脫除掉的H2S和CO2，在有水的條件下成為腐蝕的重要因素。由表1中可以看出，重沸器半貧液中CO2濃度較H2S高，因此由CO2造成的腐蝕相對(duì)嚴(yán)重。CO2對(duì)設(shè)備腐蝕后產(chǎn)物主要有FeCO3和Fe（HCO3）2，這些腐蝕產(chǎn)物以疏松狀附著在設(shè)備表面，形成保護(hù)膜[2]。當(dāng)有氣、液流體沖刷設(shè)備表面時(shí)，這些腐蝕產(chǎn)物很容易脫落，暴露出新的金屬表面并重新受到腐蝕，尤其是半貧液在重沸器中氣化后。由于重沸器殼程上部空間較小，溶劑受熱發(fā)生氣化相變后體積極速膨脹，分子運(yùn)動(dòng)速率加快。由于熱虹吸式重沸器內(nèi)管束上方殼程沒有足夠大的空間，氣液分離效果差且對(duì)殼體的沖擊作用強(qiáng)，重沸器上部處于高速兩相流動(dòng)，對(duì)流道周圍產(chǎn)生沖刷腐蝕，沖蝕掉附著在設(shè)備表面的FeCO3和Fe（HCO3）2等腐蝕產(chǎn)物形成的保護(hù)膜[2]，從而加重汽液混合區(qū)筒體的腐蝕。

表1 貧液中的H2S和CO2含量

2.2.2 接管腐蝕原因分析

重沸器接管腐蝕主要有2方面的原因：一是內(nèi)部酸性介質(zhì)的腐蝕和流體沖刷的相互作用。由于接管腐蝕產(chǎn)生的附著產(chǎn)物為FeCO3和Fe（CO3）2等疏松物質(zhì)極易脫落，再加上重沸器出口接管正位于氣相上升通道變徑處，由于突然變徑，流速突然增大，加大了對(duì)接管的沖刷，相比殼程腐蝕更嚴(yán)重。二是接管外部包裹有保溫層，日常雨水等水分貯存在保溫層中，導(dǎo)致接管外部長期處于高溫潮濕的大氣環(huán)境中，加劇了氧腐蝕。

以上2方面因素的相互作用，使得重沸器出口接管腐蝕最為嚴(yán)重。

2.2.3 重沸器管箱內(nèi)壁腐蝕原因分析

重沸器管箱內(nèi)部點(diǎn)蝕、坑蝕，腐蝕的主要原因是蒸汽中的氧腐蝕，同時(shí)管箱密封面處坑蝕嚴(yán)重的主要原因是蒸汽機(jī)械沖刷與氧腐蝕的雙重作用。氣相部位相比于液相部位腐蝕更為明顯。

2.2.4 折流板腐蝕原因分析

折流板的腐蝕原因除了與重沸器殼程的腐蝕原因相同外，還存在由于管束和折流擋板不同的材質(zhì)引起金屬電位腐蝕，進(jìn)而折流擋板孔徑變大，不能固定管束，管束受氣泡沖擊，振動(dòng)加大，進(jìn)一步加速管束和折流擋板接觸部位的磨損[3]。特別是在靠近重沸器出口部位，折流板腐蝕最為嚴(yán)重，因?yàn)榇颂幜黧w流速最快，沖刷更為嚴(yán)重。

2.2.5 浮頭蓋及螺栓腐蝕原因分析

由于螺栓腐蝕主要是兩端部及螺紋絲扣腐蝕，螺柱端部腐蝕更為嚴(yán)重且螺栓與浮頭為不同材質(zhì)，導(dǎo)致金屬電位差腐蝕。同時(shí)伴隨著酸性介質(zhì)及沖刷腐蝕，使得內(nèi)浮頭螺栓腐蝕加劇。

3 對(duì)策

3.1 添加緩蝕劑

根據(jù)重沸器運(yùn)行條件，在實(shí)驗(yàn)室中模擬運(yùn)行工況，測試K-210緩蝕劑（咪唑啉類）對(duì)鋼材腐蝕的影響。

3.1.1 試驗(yàn)過程

試樣為 45#鋼片，腐蝕介質(zhì)溶液為 CO2：3 MPa；H2S：3MPa；MDEA浸泡，時(shí)間17 d，溫度為120℃，得到緩蝕劑濃度為0，50×10-6，100×10-6，200×10-66，300×10-6，400×10-6下的緩蝕效率（圖6）。隨著緩蝕劑濃度的不斷增加，碳鋼的腐蝕速率逐漸減小，緩蝕效率逐漸提高；當(dāng)濃度為50×10-6時(shí)，緩蝕效率達(dá)到了94.91%；當(dāng)濃度達(dá)到100 mg/L時(shí)，緩蝕劑效率為95.33%，再增加緩蝕劑濃度其緩蝕效率增加緩慢；在緩蝕劑濃度為400×10-6，緩蝕劑效率達(dá)到最高，為96.37%。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，緩蝕劑效率隨緩蝕劑濃度增加的幅度不大，這可能是由于緩蝕劑濃度為50 mg/L時(shí)，緩蝕劑分子已基本覆蓋了金屬表面，所以隨著緩蝕劑濃度的大幅度增加，緩蝕劑效率變化不明顯。

3.1.2 發(fā)泡性能測試

在200 mL量筒中加入不同濃度的K-210水溶液，通入CO2氣體。測量并記錄在通氣3 min內(nèi)不同濃度的K-210溶液泡沫消失時(shí)間和泡沫最大高度（圖7）。可以看出，K-210緩蝕劑泡沫高度隨緩蝕劑濃度的增加而增加，但泡沫均在7 s內(nèi)消失，因此K-210緩蝕劑對(duì)腐蝕介質(zhì)發(fā)泡性的影響較小，不會(huì)引起腐蝕介質(zhì)發(fā)泡。

圖6 K-210的緩釋率

圖7 不同濃度K-210緩蝕劑起泡性

3.2 筒體、管箱、內(nèi)外浮頭做內(nèi)涂層處理

為徹底解決腐蝕，采取金屬本體與介質(zhì)相隔絕的方法最為有效。2017年忠縣凈化廠裝置停產(chǎn)檢修對(duì)重沸器筒體、內(nèi)外封頭以及管箱做內(nèi)防腐處理。在2018年大修中檢查完好（圖8），有效阻斷腐蝕，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)約設(shè)備更新成本。

3.3 增加接管厚度

2017年停產(chǎn)檢修時(shí)，更換腐蝕減薄的接管，將鋼管厚度由10 mm增加到12 mm（圖9）。在增加鋼管強(qiáng)度的同時(shí)，可延長其使用壽命。

3.4 優(yōu)化操作

重沸器管程蒸汽質(zhì)量影響到管箱和換熱管束的使用壽命，嚴(yán)格控制鍋爐給水氯離子含量，增強(qiáng)鍋爐給水去氧效果，保證鍋爐上水質(zhì)量，減少蒸汽夾帶氧離子和氯離子，減輕對(duì)管箱和換熱管的腐蝕。另外對(duì)管程中間分層隔板進(jìn)行檢查，通過設(shè)計(jì)方式的改變?nèi)コ追e聚冷凝液的死角，防止冷凝水積聚，防止出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。

在員工操作閥門開關(guān)時(shí)，應(yīng)緩慢操作，控制介質(zhì)流速，防止出現(xiàn)劇烈擾動(dòng)，加劇對(duì)設(shè)備構(gòu)件的沖刷，引起沖刷腐蝕。

圖8 涂層防腐

圖9 接管更換

3.5 完善防腐保溫措施

日常做好重沸器的防腐工作至關(guān)重要，防腐保溫不規(guī)范，在大氣環(huán)境下，重沸器外壁也會(huì)產(chǎn)生容易較大腐蝕。重沸器保溫材料應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可適當(dāng)增加保溫層厚度，減少熱量的損失，從而減少冷凝水的產(chǎn)生，防止管程電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生。

3.6 優(yōu)化材料選擇

忠縣天然氣凈化廠重沸器折流板材料為16MnⅡ（新牌號(hào)為345R），換熱管材料為0Cr18Ni10Ti（新牌號(hào)為06Cr18Ni11Ti），不銹鋼與碳鋼接觸，2種異種金屬形成電位差，，碳鋼為陽極，加劇腐蝕。所以應(yīng)將折流板材質(zhì)材料換成與管束一樣的06Cr18Ni11Ti材料，降低電化學(xué)腐蝕，以及在折流板與管束的連接部位增加絕緣材料，避免電化學(xué)腐蝕。

4 結(jié)論

忠縣天然氣凈化廠再生塔重沸器筒體、管箱、內(nèi)外浮頭、折流板、進(jìn)出口接管等存在不同程度的腐蝕，通過對(duì)腐蝕形成原因的分析，采取緩蝕劑、涂層防護(hù)、設(shè)計(jì)改進(jìn)及日常操作優(yōu)化等有效措施，有效減緩腐蝕，確保重沸器的長周期運(yùn)行。