苯乙烯裝置尾氣系統(tǒng)管道壁減薄速率增大的原因分析

耿曉煜，喬英會，于永剛，蔣峰，陳勇

(中國石油獨(dú)山子石化公司乙烯廠烯烴一聯(lián)合車間，新疆 獨(dú)山子 833699)

0 引言

新疆獨(dú)山子石化公司苯乙烯裝置設(shè)計(jì)為年產(chǎn)苯乙烯32萬噸，2009年9月投料試車成功。采用美國Stone&Webster公司技術(shù)，以乙烯和苯做為原料，利用Exxon Mobil的EBMax液相烷基化制EB技術(shù)、TOTAL/BAGER的絕熱脫氫技術(shù)生產(chǎn)粗苯乙烯，通過苯乙烯精餾生產(chǎn)純度99.9% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的苯乙烯單體。苯乙烯產(chǎn)品主要作為聚苯乙烯和丁苯橡膠裝置的原料。苯乙烯裝置包括乙苯單元、苯乙烯單元、中間罐區(qū)等多個(gè)工段，2009年9月到2019年1，苯乙烯單元工段中E-2439至E-2420段工藝管線出現(xiàn)過1次泄漏。

1 工藝簡介及生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 管線定點(diǎn)腐蝕測厚

2020年8月，裝置按計(jì)劃進(jìn)行定點(diǎn)腐蝕測厚，發(fā)現(xiàn)脫氫尾氣系統(tǒng)E-2439入口、E-2439出口至E-2420入口管線上的彎頭存在不同程度減薄現(xiàn)象。該段管線管徑為DN500，原始壁厚為10 mm。當(dāng)日下午，研究院進(jìn)行復(fù)測，結(jié)果相近：E-2439至E-2420管線上的3個(gè)彎頭(2019年8月更換)均存在不同程度金屬減薄損失。該管段第一個(gè)彎頭金屬損失30.4%，第二個(gè)彎頭有2個(gè)點(diǎn)掃查為4.2 mm和5.08 mm，旁邊都是9 mm左右，懷疑是氣孔或者是夾層，具體不好準(zhǔn)確判斷；第三個(gè)彎頭金屬損失51.3% (2019年1月出現(xiàn)泄漏)；E-2439入口的彎頭(8號)也存在減薄，但該彎頭自2009年開工運(yùn)行至今一直未進(jìn)行更換。測量壁厚為8.19 mm，在原始壁厚基礎(chǔ)上減薄14%。E-2420出口至E-2406、E-2406出口管線均未發(fā)現(xiàn)減薄。

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

2009年9月到2019年1月，苯乙烯單元E-2439至E-2420段工藝管線僅出現(xiàn)過1次泄漏，10年間，管道壁減薄速率1 mm/a ((10～0 mm)/10a)。2019年7月裝置停工檢修，9月檢修完畢投料開車。到2020年8月，定期定點(diǎn)測厚時(shí)發(fā)現(xiàn)，E-2439至E-2420段工藝管管道壁最薄點(diǎn)，僅有4.87 mm，管道壁減薄速率竟然高達(dá)5.13 mm/a。橫向相比較，管道壁減薄速率增長413%。

1.3 尾氣系統(tǒng)工藝簡介

E-2439至E-2420段工藝管線，是苯乙烯單元尾氣系統(tǒng)中一段重要的工藝管線。在苯乙烯單元，乙苯與蒸汽混合進(jìn)入脫氫反應(yīng)器，在催化劑作用下反應(yīng)，生成產(chǎn)物為氣相苯乙烯、氫氣、CO2、CO、C2H4、甲苯、苯、水蒸氣等組分組成的混合物。生成的混合物經(jīng)過三聯(lián)換熱器換熱后，溫度從562 ℃左右降溫至125 ℃左右。125 ℃左右的混合物，進(jìn)入粗苯乙烯冷卻器E-2205，進(jìn)一步冷卻至36 ℃，進(jìn)行氣液兩相分離。分離出的氣相，經(jīng)尾氣壓縮機(jī)K-2471增壓至約140 kPaA，溫度升至125 ℃。經(jīng)增壓、增溫后的氣相，進(jìn)入尾氣/粗苯乙烯換熱器E-2439管程，高溫氣體熱被利用加熱其他物料。從E-2439出來的物料進(jìn)入脫氫尾氣后冷器E-2420管程，被殼程循環(huán)水冷凝，最終在粗苯乙烯尾氣冷凝器E-2406管程，被殼程冷凍水冷凝至約12 ℃左右。12 ℃左右的物料進(jìn)入尾氣吸收塔C-2506，進(jìn)一步回收烴類，回收完烴類的尾氣最終進(jìn)入氫氣壓縮機(jī)，增壓至2.5 MPaA送出苯乙烯裝置界外[1]。

2 E2439至E2420管道壁減薄速率增大原因

2.1 E2439至E2420管道中物流變化

2.1.1管道內(nèi)物流中CO2組分(分壓)變化

隨機(jī)收集了大檢修(2019年8月)前和管線測厚前的部分生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對比后發(fā)現(xiàn)，裝置負(fù)荷變化不大，略高于設(shè)計(jì)值。尾氣物流中二氧化碳含量比大修前降低1.06% (體積分?jǐn)?shù))，按照流體中CO2組分含量越高腐蝕速率越高的原則，氣相中的二氧化碳含量、分壓不是該段管線腐蝕加劇的主要因素。

2.1.2 E2439至E2420管道內(nèi)流體溫度變化

隨機(jī)收集了大檢修前、大檢修后低負(fù)荷運(yùn)行期間和測厚前，尾氣系統(tǒng)部分生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對比后發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷運(yùn)行期間、測厚前，尾氣壓縮機(jī)進(jìn)、出口溫度及E-2439進(jìn)、出口(E-2420入口)溫度均有很大的變化。

2.2 E2439至E2420管道內(nèi)流體溫度降低對管道壁減薄速率的影響

2.2.1 流體狀態(tài)變化

由收集到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷運(yùn)行期間尾氣系統(tǒng)各點(diǎn)溫度變化很大，尤其E-2439入口溫度，與大檢修前相較，降低46 ℃，由氣相進(jìn)料變成了氣液兩相進(jìn)料。干燥的CO2對金屬材料沒有腐蝕作用，但是CO2溶于水中對金屬材料，尤其是鋼材有極強(qiáng)的腐蝕性，這是8號點(diǎn)產(chǎn)生CO2腐蝕的重要原因。

2.2.2 CO2腐蝕變化

E-2420入口溫度在低負(fù)荷運(yùn)行期間，比大檢修前降低17.9 ℃；測厚前比之大檢修前降低9 ℃。流體溫度越低，CO2在水中溶解度越大，管道內(nèi)沖刷腐蝕加劇，低負(fù)荷運(yùn)行期間和測厚前，E-2439至E-2420段工藝管道內(nèi)溫度低導(dǎo)致CO2腐蝕比大檢修前增加了，最嚴(yán)重的是低負(fù)荷運(yùn)行期間。溫度降低應(yīng)是E2439至E2420管道壁減薄速率增大的原因之一。

2.2.3 流體中水含量的變化

利用Aspenhysis流程模擬軟件，模擬出了E-2439出口至E-2420段工藝管道內(nèi)，壓力不變，不同溫度狀態(tài)下流體中水含量的變化情況。

從模擬數(shù)據(jù)可以看出，隨著該段管道內(nèi)流體溫度降低，冷凝水量急劇增大。測厚前冷凝水量比大修前增加31.2%；低負(fù)荷運(yùn)行的一個(gè)月中，冷凝水量比大修之前增加了50.7%。根據(jù)流體中水含量越高，管道內(nèi)沖刷腐蝕越嚴(yán)重原則，這兩段時(shí)間內(nèi)，E-2439出口至E-2420段工藝管道內(nèi)，沖刷腐蝕加劇，腐蝕速率大幅升高。氣液兩相流中液相量增大，沖刷腐蝕加劇也是是E2439至E2420管道壁減薄速率增大的原因之一。

2.2.4 管道內(nèi)流體的其他變化

同時(shí)在低負(fù)荷運(yùn)行期間，由于冷凝量的增加，流體的平均密度由40.83 kg/m3增長至51.72 kg/m3。對彎頭等流體方向變化劇烈的地方的剪切應(yīng)力增強(qiáng)導(dǎo)致腐蝕加劇。

綜上所述，E2439至E2420管道內(nèi)流體溫度降低，是管道壁減薄速率增大的直接原因。

3 結(jié)語

通過一系列的對比、分析，我們弄清楚了E2439至E2420管道壁減薄速率增大的直接原因，是管道內(nèi)流體溫度降低。根據(jù)分析出的原因，制定了降低管道壁減薄速率的措施。

(1)通過調(diào)整操作適當(dāng)提高尾氣壓縮機(jī)入口溫度，以提高其出口溫度，進(jìn)而提高E2439至E2420段管道內(nèi)流體的溫度。目的是減弱沖刷腐蝕的強(qiáng)度、消除沖蝕磨損現(xiàn)象；

(2)通過增加E-2439至E-2406的切液線，以期減少管道中液相物料的質(zhì)量流量，降低物料中水含量、降低流體密度等，最終目的是減弱沖刷腐蝕的強(qiáng)度、消除沖蝕磨損現(xiàn)象；

(3)定期對該管段的彎頭進(jìn)行定點(diǎn)測厚，監(jiān)控管道壁減薄情況，掌握實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)隱患，及早著手處理。