疏水管道沖刷腐蝕原因及預(yù)防措施

廖尚君

（中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川成都 611930）

0 引言

沖刷腐蝕是高速度的腐蝕流體對材料造成的損傷，是材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象[1-2]。靜置或緩慢流動的腐蝕流體對材料的腐蝕速度較小，而高速的腐蝕流體不僅直接接觸、腐蝕基體材料，同時損壞表面腐蝕產(chǎn)物保護膜、形成砂漿，裸露出新鮮金屬表面，導(dǎo)致被快速刷洗和腐蝕，在存在氣液、固液、氣固等多相流體中的沖刷腐蝕更為突出。沖刷腐蝕問題在眾多行業(yè)較為普遍，造成的經(jīng)濟損失也非常大。在眾多機械行業(yè)中，沖刷腐蝕造成的損失占磨損破壞總數(shù)的8%，是壓力管道管壁出現(xiàn)局部減薄的主要原因[3]。據(jù)統(tǒng)計，全世界因沖刷腐蝕而損耗的金屬每年達(dá)1 億噸以上，占全年總產(chǎn)量的20%～40%。

疏水系統(tǒng)是石化、能源及電力等行業(yè)中常見的汽水回收系統(tǒng)，對能耗及物耗起著關(guān)鍵作用。在實際工作過程中，疏水系統(tǒng)的泄漏問題較為突出，特別是管道因沖刷腐蝕而導(dǎo)致的泄漏，嚴(yán)重影響能耗物耗的平衡，對操作人員的安全產(chǎn)生隱患，跑冒滴漏現(xiàn)象也導(dǎo)致現(xiàn)場低標(biāo)準(zhǔn)問題突出，對疏水系統(tǒng)管道因沖刷腐蝕失效的研究具有重要意義。

1 疏水管道沖刷腐蝕原因分析

某石化公司自備電站通過疏水系統(tǒng)主要有9.8 MPa 主蒸汽疏水系統(tǒng)、4.0 MPa 高壓蒸汽疏水系統(tǒng)、1.2 MPa 中壓蒸汽疏水系統(tǒng)、0.4 MPa 低壓蒸汽疏水系統(tǒng)。0.4 MPa 蒸汽疏水通過疏水閥匯集至疏水母管，疏水母管匯集疏水后至低壓疏水?dāng)U容器，經(jīng)過疏水?dāng)U容器閃發(fā)后，高溫疏水進(jìn)入疏水箱通過疏水泵進(jìn)行回用，閃發(fā)的低壓蒸汽排大氣。通過對一個大檢修周期管道泄漏點統(tǒng)計，90%以上的疏水管道泄漏發(fā)生在0.4 MPa 低壓蒸汽疏水系統(tǒng)，特別是在0.4 MPa 疏水母管末端的5 個彎頭和疏水分支管三通是管道頻繁泄漏的部位。

通過對泄漏彎頭進(jìn)行厚度測量，可以確定管件有明顯的非均勻減薄的特性，靠外彎的壁厚有明顯減薄甚至穿孔的情況，內(nèi)彎部位厚度無明顯變化，其分布具有一定的規(guī)律：管壁隨著從內(nèi)彎部位靠向外彎部位，壁厚逐漸減薄，無突變現(xiàn)象。0.4 MPa 蒸汽疏水管道沖刷腐蝕主要有以下原因[4-5]：

1.1 流動加速腐蝕

流動加速腐蝕是一個非常復(fù)雜且影響因素較多的失效過程，是材料表面的保護層溶解到流動的液體或者氣液兩相中的過程。由于0.4 MPa 疏水母管遠(yuǎn)離疏水?dāng)U容器端，壓力近似視為0.4 MPa 蒸汽母管壓力，疏水?dāng)U容器端壓力近似視為大氣壓力，所以疏水的高壓勢能轉(zhuǎn)換為動能，流速不斷增加，且越靠近疏水管道后端，介質(zhì)流速越高。一般來說，隨著流速增大，腐蝕速率越高，管道的壁厚隨著介質(zhì)的流向不斷減薄。在一定的流速范圍內(nèi)，腐蝕速度隨之緩慢增大，當(dāng)流速高達(dá)某臨界值時，腐蝕急劇上升，在高流速的條件下，不僅均勻腐蝕隨之嚴(yán)重，且出現(xiàn)局部腐蝕加劇的現(xiàn)象。不同流速下，腐蝕因素反映在傳遞過程和力學(xué)作用于電化學(xué)過程控制腐蝕速率（圖1）。

圖1 100 ℃水中流動加速腐蝕速率與流速的關(guān)系

低速狀態(tài)介質(zhì)流速可以降低腐蝕產(chǎn)物濃度而導(dǎo)致腐蝕速率降低；高速狀態(tài)下傳質(zhì)速度高于金屬表面電極反應(yīng)速度而產(chǎn)生活化作用，控制腐蝕過程，腐蝕速率增高；臨界速度以上時，金屬表面的剪切應(yīng)力大到可以撕裂或剝離保護性氧化膜，腐蝕過程變?yōu)槟ノg過程。管道尺寸和形狀直接影響流體速度，進(jìn)而影響局部傳質(zhì)速率，若構(gòu)件的幾何形狀能增加流體流速和湍流程度，則該構(gòu)件會受到更嚴(yán)重的流動加速腐蝕。如流體湍流試驗中，管道彎頭處介質(zhì)流動不均勻出現(xiàn)局部渦流，對彎頭處造成腐蝕加劇的情況，如圖2 所示。以上因素和管道壁厚不斷減薄的關(guān)系，與介質(zhì)流速不斷增加和彎頭處局部腐蝕更嚴(yán)重的情況相吻合。

1.2 氣液兩相腐蝕

0.4 MPa 蒸汽管網(wǎng)壓力基本控制在0.5 MPa.A，蒸汽溫度控制在250 ℃左右，在此壓力下對應(yīng)飽和蒸汽溫度152 ℃，管道疏水通過疏水閥匯入0.4 MPa 疏水母管，疏水閥處疏水溫度約等于飽和水溫度151 ℃，疏水壓力約等于0.5 MPa.A，隨著疏水不斷流向疏水?dāng)U容器，壓力不斷降低，最終近似視為大氣壓力。由于疏水管道的保溫功能，疏水在管道內(nèi)降溫不明顯，疏水在疏水母管內(nèi)不斷蒸發(fā)，水一般在管道底部，水蒸氣在管道上部，未完全分離的形成汽水混合物在管道內(nèi)流動?；跊_擊波理論和微射流理論，高溫水進(jìn)入管路中，氣泡在材料表面產(chǎn)生，氣泡隨著液體流動，超過臨界壓力或者碰撞材料表面時氣泡潰滅，對壁面產(chǎn)生液壓沖擊，使金屬保護膜破壞，并可引起塑性變形，撕裂金屬粒子，膜破口處裸露金屬受到腐蝕并重新生膜，此過程反復(fù)進(jìn)行，使金屬表面生成致密的深孔。

1.3 流體滯止區(qū)腐蝕

流體介質(zhì)的流場在沖刷腐蝕中起著非常重要的作用，流場的描述涉及到較復(fù)雜的流體動力學(xué)計算，以管流式流場中膨脹管和彎頭部分的沖刷腐蝕最為復(fù)雜。在直線管道中單項流腐蝕主要為氧腐蝕；介質(zhì)中存在雙相流時，在收縮—膨脹管道中的流體，受到阻礙而出現(xiàn)分離或沖擊管壁的情況。彎管或變徑管中的流場不同于直管的流場分布，在管壁上將會出現(xiàn)滯止區(qū)，當(dāng)流體從法向接近并沖向壁面時，其速度減少至零的區(qū)域為流體滯止區(qū)，如圖3 所示。流體在滯止區(qū)中減速，沖擊管壁并釋放動能而造成管壁沖刷腐蝕加重。

圖3 彎管與變徑管的流體滯止區(qū)分布

2 疏水管道沖刷腐蝕泄漏整改措施

通過沖刷腐蝕的理論研究發(fā)現(xiàn)，沖刷腐蝕是必然存在的，對薄弱點可以通過技術(shù)措施減緩局部沖刷腐蝕，對疏水管系進(jìn)行改造，升級管材壁厚達(dá)到延長疏水管道使用壽命的目的。

2.1 直管段壁厚分段增厚措施

直管段的沖刷腐蝕主要是均勻腐蝕，通過對管道壁厚的測量，前段疏水母管直管段的壁厚無明顯變化，后段疏水母管直管段沖刷腐蝕減薄明顯，考慮整體更換管道成本較高，對后段明顯腐蝕減薄管段進(jìn)行壁厚升級，特別是后17 m 彎頭較多的管段，原設(shè)計管道壁厚（Φ57×3.5）mm，通過一個大檢修周期腐蝕速率的測算，建議后17 m 壁厚升級為5.5 mm，增加腐蝕余量，保證疏水管道至少一個大檢修周期的使用壽命。

2.2 管系三通管件壁厚升級及改造

通過管系三通管件泄漏部位統(tǒng)計和測厚的情況，原疏水分支管三通（Φ57×32×4）mm，壁厚升級為5.5 mm，在三通底部，可以進(jìn)行補強增厚處理增加腐蝕余量?；虿捎眯苯?5°的三通管件，減少對三通底部的直接對沖沖刷腐蝕，延長使用壽命。

2.3 管系彎頭壁厚設(shè)計及改造

通過對管系彎頭管件泄漏部位統(tǒng)計和測厚的情況，管系共設(shè)計7 處彎頭，延介質(zhì)流向，前2 處彎頭壁厚腐蝕速率正常，隨后4處彎頭腐蝕速率明顯增大甚至泄漏，最后1 處彎頭腐蝕速率最高，壁厚最薄且泄漏最頻繁。原彎頭厚度為3.5 mm，前5 處彎頭壁厚升級為5.5 mm；后2 處彎頭改為等徑三通和盲端結(jié)構(gòu)，選用壁厚5.5 mm，減少彎頭的沖刷腐蝕，延長管道使用壽命。

3 結(jié)語

分析0.4 MPa 蒸汽疏水管道的泄漏情況，主要原因是介質(zhì)氣液兩相性的沖刷腐蝕造成管壁減薄而導(dǎo)致泄漏，具有此類特性的流體介質(zhì)在石油化工、電力行業(yè)較為常見，具有典型意義。通過對管系進(jìn)行設(shè)計改造，加強管道定期測厚等技術(shù)檢測工作，可以有效預(yù)防因沖刷腐蝕而導(dǎo)致的管道泄漏，增加管道使用壽命，達(dá)到降低現(xiàn)場跑、冒、滴、漏的目的。