硝基氯苯裝置液環(huán)真空泵防腐對策研究

王 勇

（中國石化集團南京化學工業(yè)有限公司，江蘇 南京 211500）

液環(huán)真空泵是一種以液體為工作介質來抽送氣體的通用機械［1-3］。由于液環(huán)真空泵具有結構緊湊、占地面積小、吸氣均勻、工作轉速高和適應能力強等優(yōu)點，常應用于真空過濾、真空蒸餾、真空干燥等工藝過程，涉及石油、化工、制藥、采礦和電力等多個領域［4-6］。某公司擁有兩套硝基氯苯裝置，液環(huán)真空泵是精餾單元的關鍵設備，主要作用是為精餾塔、脫焦塔和低油塔提供真空狀態(tài)操作條件，但自投用以來，由腐蝕引起的高故障率一直影響裝置長周期安全穩(wěn)定運行。針對硝基氯苯裝置液環(huán)真空泵的腐蝕問題，通過實驗室模擬工況腐蝕試驗，評價不同材料的耐蝕性能，并提出了相應的解決措施。

1 腐蝕情況

精餾單元液環(huán)真空泵的工作介質為氯化苯，工作溫度為40～80℃。從2009年開始，液環(huán)真空泵材質由碳鋼升級為304不銹鋼，但材質升級后其故障率仍然較高。2017年檢修時發(fā)現(xiàn)，精餾塔液環(huán)真空泵葉輪腐蝕嚴重，發(fā)生脫落并碎成小塊，其形貌見圖1。

圖1 液環(huán)真空泵葉輪腐蝕形貌

2 工藝物料分析

對精餾塔、脫焦塔和低油塔液環(huán)真空泵的工作液進行取樣，工作液靜置一段時間后上下分層，上層為水溶液，下層為氯化苯。對上層水溶液進行成分分析，結果見表1。

表1 工作液上層水溶液分析結果

從分析結果可以看出，三臺液環(huán)真空泵的工作液中均含有Cl-，其中低油塔液環(huán)真空泵的工作液中Cl-質量分數(shù)高達92.00μg/g，脫焦塔液環(huán)真空泵的工作液中NO-3質量分數(shù)較高，為42.10μg/g。除此之外，還檢測到精餾塔、脫焦塔和低油塔的外排尾氣中含有質量濃度為2 mg/L的NOx。由此可以得出，工作液中的Cl-和NO-3分別來自HCl和HNO3，HNO3是由NOx反應生成的。

3 試 驗

3.1 試驗溶液及材料

根據(jù)液環(huán)真空泵工況，在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液中開展304L，316L和2205的耐蝕性能評價。試驗溫度80℃，轉速2 m/s，試驗周期96 h。氯化苯溶液為現(xiàn)場取樣，酸性水為實驗室配制。根據(jù)現(xiàn)場物料分析結果，配制的酸性水組成：Cl-和NO-3物質的量濃度比為10∶1，pH值為1，所用試劑均為分析純試劑。試驗所用材料及其化學成分見表2，均滿足國家標準。

表2 掛片材料及其化學成分 w，%

3.2 試驗儀器及設備

高溫高壓反應釜、電子分析天平、S-3400N掃描電鏡、超聲波清洗器等。

3.3 試驗方法

采用400號、600號、800號水磨砂紙對試樣的工作面進行逐級打磨，然后用去離子水沖洗、丙酮除油、無水乙醇脫水、冷風吹干。用游標卡尺測量試樣實際尺寸后稱質量備用。將試樣分別安裝在高溫高壓反應釜內氣相和液相區(qū)，加入試驗溶液（確保溶液體積與試樣表面積之比不小于20 mL/cm2），設置轉速，待反應釜內溫度達到試驗溫度后開始計時。試驗結束后，用清洗液去除腐蝕產物，對試樣進行宏觀和微觀形貌觀察，并根據(jù)質量損失計算腐蝕速率。

4 試驗結果

4.1 宏觀形貌觀察

圖2為三種材料在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液中試驗后的宏觀形貌。從圖2可以看出：在氯化苯溶液的氣相和液相中，304L，316L和2205均保持金屬光澤，無明顯腐蝕；在氯化苯+酸性水溶液的氣相中，304L和316L均出現(xiàn)明顯的局部腐蝕，在液相中仍保持金屬光澤，無明顯腐蝕，而2205在氣相和液相中均保持金屬光澤，無明顯腐蝕；在酸性水溶液的氣相中，304L和316L均出現(xiàn)明顯的局部腐蝕，304L甚至出現(xiàn)腐蝕脫落現(xiàn)象，304L和316L在液相中未見明顯腐蝕，而2205在氣相和液相中均保持金屬光澤，無明顯腐蝕。

圖2 試樣試驗后的宏觀形貌

總體來看，在氯化苯、氯化苯+酸性水、酸性水溶液的氣相和液相中，2205均保持金屬光澤，無明顯腐蝕；在氯化苯+酸性水、酸性水溶液中的氣相中304L和316L均出現(xiàn)十分明顯的局部腐蝕，而在液相中無明顯腐蝕。

4.2 微觀形貌觀察

圖3和圖4分別為三種材料在氯化苯+酸性水、酸性水溶液的氣相中試驗后的微觀形貌。從圖3和圖4可以看出：在氯化苯+酸性水、酸性水溶液的氣相中，304L和316L局部點蝕明顯，而2205未見明顯腐蝕。從微觀形貌來看，其結果與宏觀形貌結果保持一致。

圖3 氯化苯+酸性水試驗后試樣微觀形貌

圖4 酸性水試驗后試樣微觀形貌

4.3 腐蝕情況分析

表3為三種材料在不同溶液中的腐蝕速率。從表3來看，在氯化苯溶液的氣相和液相中，304L，316L和2205的腐蝕速率很小，均屬于輕微腐蝕（小于0.05 mm/a）。在氯化苯+酸性水溶液的氣相中，304L發(fā)生了嚴重腐蝕，其他均發(fā)生了輕微腐蝕。在酸性水溶液的氣相中，304L和316L均發(fā)生了嚴重腐蝕，其中304L的腐蝕速率高達24.631 mm/a，在液相中304L和316L腐蝕較輕；在氣相和液相中2205的腐蝕速率仍然很小，屬于輕微腐蝕。

表3 三種材料的腐蝕速率 mm/a

從以上試驗結果可以得出，三種溶液中酸性水的腐蝕性最強，其次是氯化苯+酸性水，腐蝕性最弱的是氯化苯溶液。因此，當液環(huán)真空泵的工作液中不含水時，304L，316L和2205均具有較好的耐蝕能力。當工作液中存在游離水時，葉輪區(qū)域就形成了HCl+HNO3的酸性水腐蝕環(huán)境，304L和316L的腐蝕速率明顯升高，在氣相區(qū)的腐蝕尤為嚴重，而2205仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性。

5 分析與討論

結合硝基氯苯性質和生產工藝流程可知，精餾塔、脫焦塔和低油塔的再沸器溫度均大于200℃，硝基氯苯會發(fā)生脫氯和脫硝反應，生成HCl和NOx，使塔頂氣相介質中含有HCl和NOx。由于工藝條件限制，液環(huán)真空泵中的工作液中不可避免地含有一定量的游離水，水會與來自塔頂氣相介質中的HCl和NOx作用，形成HCl+HNO3的酸性水腐蝕環(huán)境。液環(huán)真空泵葉輪材質為304不銹鋼，在具有強腐蝕性的HCl+HNO3酸性水環(huán)境中耐蝕能力不佳，從而造成了葉輪失效。除此之外，也不能忽視汽蝕帶來的協(xié)同破壞作用，當液環(huán)真空泵內局部壓力低于液體的飽和蒸汽壓時，液體就會迅速汽化產生氣泡，氣泡會在高壓下破裂、凝結，從而對葉輪產生局部沖擊，造成破壞。

在含有氯離子的酸性腐蝕環(huán)境中，不銹鋼通常會發(fā)生全面腐蝕、點蝕和氯化物應力腐蝕開裂等［7］。不銹鋼中的Cr，Mo和N含量越高，耐點蝕和耐全面腐蝕性能越好。與304L和316L奧氏體不銹鋼相比，由于2205雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體雙相組織，且含有較高的Cr，Mo和N含量，其耐蝕性能和抗應力腐蝕性能更佳。

硝基氯苯裝置液環(huán)真空泵的防腐對策可從以下兩個方面著手：一是采取措施控制工作液中的水含量；二是將材質升級為2205?，F(xiàn)場在大修期間將液環(huán)真空泵材質升級為2205，該泵投用兩年多來再未發(fā)生過腐蝕泄漏，運行情況良好。

6 結論及建議

（1）模擬液環(huán)真空泵工況腐蝕試驗結果表明，2205具有較好的耐蝕性，而304L和316L在酸性水氣相環(huán)境中存在明顯的點蝕現(xiàn)象，耐蝕性能不佳。

（2）建議將液環(huán)真空泵材質升級為2205，并對工作液進行脫水處理。

（3）現(xiàn)場應用結果表明，液環(huán)真空泵材質升級后運行良好，兩年多來再未發(fā)生過腐蝕泄漏。