液硫池蒸汽伴熱管腐蝕分析

陳永凱

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 751000)

1 硫黃回收裝置液硫系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 硫黃回收裝置

某化工廠硫黃回收裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為2×50 kt/a，裝置由制硫單元、尾氣處理單元、液硫脫氣單元、尾氣焚燒單元及液硫成型單元組成。液硫脫氣單元由液硫池、液硫泵及抽氣器等組成，液硫池為液硫脫氣單元的主要設(shè)施，它收集由制硫單元各級(jí)冷凝冷卻器捕集后經(jīng)硫封罐處理后的液態(tài)硫黃。液態(tài)硫黃在液硫池內(nèi)循環(huán)脫氣后由液硫提升泵送至液硫成型單元，經(jīng)過造粒、打包后作為成品出廠。

1.2 液硫池

兩套硫黃回收裝置分別設(shè)置一個(gè)液硫池，液硫池的作用是收集自各冷凝冷卻器捕集來的液硫，液硫池分為兩個(gè)區(qū)：脫氣區(qū)和產(chǎn)品區(qū)，見圖1。液硫通過脫氣設(shè)施脫氣后，溢流至產(chǎn)品區(qū)，通過液硫提升泵送至液硫成型單元。

液硫池采用耐酸耐溫磚砌筑，用耐高溫防腐結(jié)構(gòu)膠泥做防腐處理。為保證液硫的流動(dòng)性，池內(nèi)設(shè)置9組0.35 MPa蒸汽加熱盤管，材質(zhì)為316L。

圖1 典型的液硫池結(jié)構(gòu)

2 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕分析

2.1 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕

液硫系統(tǒng)試車采用外購(gòu)的固態(tài)硫黃倒入液硫池，通過0.35 MPa蒸汽加熱使之變?yōu)橐簯B(tài)。液硫系統(tǒng)試運(yùn)過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)液硫脫氣泵伴熱管(材質(zhì)為316L)腐蝕穿孔(見圖2),加熱蒸汽盤管產(chǎn)生腐蝕斷裂(見圖3),液硫脫氣泵夾套筒節(jié)(材質(zhì)為316L)產(chǎn)生環(huán)狀腐蝕(見圖4)。腐蝕部位均位于液硫液面附近,其最大腐蝕速率達(dá)48 mm/a。

圖2 液脫氣泵伴熱管腐蝕穿孔

圖3 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕斷裂

圖4 液硫脫氣泵夾套筒節(jié)環(huán)狀腐蝕

2.2 宏觀檢查

脫氣泵伴熱管外壁腐蝕穿孔，穿孔附近有大片蝕坑,內(nèi)壁無腐蝕減薄情況。加熱蒸汽盤管斷口位置在液硫?qū)嶋H液位附近，管內(nèi)壁未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，平整、無臺(tái)階，斷口管內(nèi)外壁無明顯的塑性變形；外壁有蝕坑和腐蝕減薄，斷口呈臺(tái)階狀斷面(見圖5)。液硫脫氣泵夾套筒節(jié)腐蝕坑最大深度2.3 mm，沿周向呈環(huán)帶狀分布。

圖5 蒸汽伴熱管斷口腐蝕形貌

2.3 斷口能譜分析

斷口能譜分析結(jié)果見圖6和表1。由此可見：腐蝕產(chǎn)物主要含有碳、氧、鈉、鋁、硫、鈣、鉻和鐵等元素。

圖6 斷口能譜分析

表1 斷口能譜分析結(jié)果

2.4 斷口金相檢驗(yàn)

伴熱管斷面的金相組織為奧氏體，晶粒度為6級(jí)到7級(jí)，組織正常，見圖7。

圖7 伴熱管斷面的金相組織

2.5 伴熱管垢物能譜分析

伴熱管垢物能譜分析結(jié)果見表2。由表2可知，腐蝕產(chǎn)物主要含有硫、硅、氧、鈣、鉻、鐵和鎳等元素。

表2 伴熱管垢物能譜分析

2.6 池底硫黃能譜分析

池底硫黃能譜分析見表3。由表3可見，碳元素的存在說明硫黃中含有碳的化合物雜質(zhì)。

表3 池底硫黃能譜分析結(jié)果

3 失效原因綜合分析

3.1 其他故障因素的排除

蒸汽伴熱管壁厚未發(fā)現(xiàn)減薄，排除拉伸造成斷裂。蒸汽伴熱管、底部支管和機(jī)泵夾套筒節(jié)腐蝕形貌相似，排除局部腐蝕及應(yīng)力腐蝕可能。

蒸汽伴熱管和機(jī)泵夾套筒節(jié)材質(zhì)經(jīng)過多次檢測(cè)，元素含量在規(guī)定范圍內(nèi),金相檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常組織，排除材質(zhì)缺陷引起的腐蝕失效。

3.2 硫黃環(huán)境下的金屬腐蝕機(jī)理

硫黃環(huán)境下的金屬腐蝕主要有高溫硫腐蝕、硫酸露點(diǎn)腐蝕、其他腐蝕[1]及電化學(xué)腐蝕[2]。

高溫硫腐蝕是在一定的溫度下金屬與硫及硫化物發(fā)生作用，溫度越高，腐蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重。其主要反應(yīng)如下：

(1)

(2)

硫酸露點(diǎn)腐蝕是濕硫化氫環(huán)境下硫氧化物與水結(jié)合生成亞硫酸及硫酸對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕。其主要反應(yīng)如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

電化學(xué)腐蝕是金屬表面與離子導(dǎo)電介質(zhì)(電解質(zhì))發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的金屬破壞。液硫環(huán)境下當(dāng)有水存在時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：

(8)

(9)

3.3 腐蝕條件的形式

液硫池密封效果差，水從頂部觀察孔及蒸汽套管流入，蒸汽伴熱盤管法蘭泄漏使液硫池內(nèi)部有水存在，池內(nèi)不斷投入硫黃，伴隨著加熱進(jìn)程，S8水解產(chǎn)生H2S和H2SO4，在液硫表面空氣中的O2存在的條件下，發(fā)生上述反應(yīng)[3]。水及酸浮于液硫表面，對(duì)液面附近金屬設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，從液硫泵脫氣泵夾套筒節(jié)及蒸汽伴熱盤管豎管的腐蝕形貌是以環(huán)狀腐蝕為主。隨著試車的進(jìn)行，根據(jù)停留時(shí)間的不同,液硫池液面高度發(fā)生變化，導(dǎo)致池內(nèi)金屬設(shè)備產(chǎn)生了環(huán)狀腐蝕。

4 改進(jìn)措施

液硫池設(shè)計(jì)為密封形式[4]，并在使用過程中保證其密封的可靠性。蒸汽伴熱盤管避免穿墻設(shè)計(jì)，宜采用翻墻設(shè)計(jì)。采用熱噴鋁防腐技術(shù)對(duì)液硫池蒸汽盤管、液硫泵等表面進(jìn)行噴鋁防腐[5]，可以減少液硫?qū)υO(shè)備的腐蝕。

5 結(jié) 論

通過對(duì)硫黃環(huán)境下金屬腐蝕機(jī)理的研究，結(jié)合腐蝕斷口及腐蝕產(chǎn)物的能譜分析，液硫存儲(chǔ)過程中有水及空氣存在時(shí)，多種腐蝕協(xié)同發(fā)生，316L材質(zhì)腐蝕加劇，腐蝕均發(fā)生在液面附近。