新氫壓縮機級間冷卻器腐蝕原因分析及改善措施

王伏， 顏 蜀雋

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤炭化學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院， 寧夏 靈武 750411）

新氫壓縮機組作為加氫精制單元關(guān)鍵性設(shè)備，提供反應(yīng)所需的高純度氫氣的同時，并為反應(yīng)系統(tǒng)補充壓力，該系統(tǒng)通常由多套往復(fù)式壓縮機并聯(lián)組成，壓縮機級與級之間設(shè)級間冷卻器對壓縮后的氫氣進行冷卻。某裝置新氫壓縮機級間冷卻器為U形管式換熱器，熱介質(zhì)被工業(yè)循環(huán)冷卻水冷卻，但該冷卻器易發(fā)生腐蝕內(nèi)漏，造成壓縮機系統(tǒng)頻繁停機檢修，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)運行。由于該冷卻器的特殊工況，發(fā)生腐蝕的部位往往伴隨氫氣泄露，存在巨大的安全隱患。一般工業(yè)循環(huán)冷卻水換熱器系統(tǒng)主要有結(jié)垢、腐蝕和微生物腐蝕等問題，常見的腐蝕問題主要是電化學(xué)腐蝕，主要腐蝕類型為碳鋼管壁的點蝕和均勻腐蝕[1-2]。目前對該冷卻器的內(nèi)漏問題尚無較好的解決措施，國內(nèi)多套裝置發(fā)現(xiàn)此問題只能對發(fā)生腐蝕內(nèi)漏的管束進行焊封堵漏。本文就某裝置加氫精制單元新氫壓縮機級間冷卻器腐蝕內(nèi)漏原因進行了分析，并提出了可行的改善措施。

1 裝置工藝流程介紹

加氫精制單元新氫壓縮機系統(tǒng)由三套平衡型往復(fù)式壓縮機并聯(lián)組成，單臺壓縮機采用四列二級壓縮，每臺壓縮機一級與二級壓縮之間設(shè)級間冷卻器對壓縮后的氫氣進行冷卻。來自管網(wǎng)的純度為99.9%的氫氣（3.3 MPa/40 ℃），經(jīng)新氫壓縮機一級壓縮后，壓力上升的同時產(chǎn)生大量的熱（5.5 MPa/85 ℃），一級壓縮后的氫氣經(jīng)級間冷卻器，被工業(yè)冷卻循環(huán)水（0.4 MPa/25 ℃）冷卻，冷卻后的氫氣（5.5 MPa/37 ℃）再經(jīng)新氫壓縮機二級壓縮提壓后，供給后工段的催化還原單元和加氫精制單元使用。該工段工藝流程圖，見圖1。

圖1 新氫壓縮機系統(tǒng)工藝流程圖

2 新氫壓縮機組運行問題

新氫壓縮機系統(tǒng)級間冷卻器因腐蝕內(nèi)漏，造成機組頻繁停機檢修，單臺冷卻器檢修周期需3~4天，且氫氣泄露，存在巨大的安全隱患。

新氫壓縮機級間冷卻器腐蝕主要發(fā)生在管程，由水側(cè)向氫氣側(cè)腐蝕，對清理下的腐蝕垢進行分析，并觀察垢下腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)存在垢下點蝕的情況，點蝕又稱孔蝕，是發(fā)生在金屬表面的很小范圍內(nèi)，并深入到金屬內(nèi)部的一種蝕孔狀腐蝕，蝕孔一般直徑小而深。吳劍等[3]指出不銹鋼點蝕只有在特定的腐蝕介質(zhì)中才會發(fā)生，尤其是當(dāng)鹵素離子存在時，非常容易發(fā)生點蝕，且隨著使用時間的增加，腐蝕將不斷進行，水冷器的壁厚將逐漸變薄，最終發(fā)生破裂或穿孔。

3 腐蝕異常原因分析

3.1 級間冷卻器材質(zhì)分析

新氫壓縮機級間冷卻器的工藝設(shè)計參數(shù)如表1所示，其中管程流股為冷卻循環(huán)水，殼程流股為氫氣，循環(huán)水進水條件為0.4 MPa/25 ℃，氫氣進氣條件為5.5 MPa/85 ℃。級間冷卻器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 級間冷卻器工藝參數(shù)

表2 級間冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)

壓縮機級間冷卻器殼程材質(zhì)為Q345R鋼，管程材質(zhì)為20號鋼，設(shè)計壁厚2 mm，符合《管殼式換熱器》（GB151—1999）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，因此可以排除換熱器在材質(zhì)和壁厚等方面存在的設(shè)計缺陷。對于金屬腐蝕，尤其是與氫氣長期接觸的金屬材料，也會考慮到氫脆的影響，但通常情況下，氫在常溫常壓下不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，只有當(dāng)溫度超過 300 ℃和壓力高于30 MPa時，才有可能產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，結(jié)合新氫壓縮機級間冷卻器殼程流股氫氣的進氣條件（5.5 MPa/85 ℃），還遠沒有達到發(fā)生氫脆的條件，故也可以排除殼程氫氣側(cè)氫脆的影響。

3.2 循環(huán)水樣分析

新氫壓縮機級間冷卻器循環(huán)水出入口水質(zhì)分析結(jié)果見表3。

表3 循環(huán)水水樣分析結(jié)果

呂勝杰等[4]研究表明，對于20#鋼，水中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 250×10-6增加到 750×10-6時，其腐蝕速率增加到原來的1.4倍；當(dāng)水中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到950×10-6，腐蝕速率大幅提高到初始腐蝕速率的29.9倍。主要原因在于氯離子對金屬腐蝕起到嚴(yán)重的誘發(fā)作用。循環(huán)水里溶解了大量的氧，同時由于換熱器管程內(nèi)表面的結(jié)垢不均一，易在換熱管表面形成氧濃度差的微電池，使換熱器鋼材表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕；大量的Cl-作為活性陰離子在疏松腐蝕產(chǎn)物層中聚集，起到自催化作用，破壞材料表面的氧化膜，金屬基材表面在Cl-的腐蝕作用下將形成坑狀點腐蝕形態(tài)；一旦形成腐蝕坑以后，腐蝕坑以外的介質(zhì)中的帶負電的 Cl-與帶正電荷的金屬離子而形成電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致穿孔失效?？梢?，氯離子含量越高，碳鋼受腐蝕的程度則越嚴(yán)重。

由表3可知，雖然該冷卻器所用循環(huán)水水質(zhì)滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處設(shè)計規(guī)范》限定范圍，但循環(huán)水中氯離子處于較高水平，提供了加速垢下腐蝕的陰離子[5]，是冷卻器腐蝕泄漏的一個促因。

3.3 垢樣組成分析

腐蝕垢周邊附著有黏泥狀物質(zhì)，且部分垢樣較硬。如圖2所示，為垢樣焙燒前后的圖片。

圖2 垢樣焙燒前后形貌

對腐蝕垢進行焙燒處理后，進行研磨制樣，利用德國布魯克S8分析儀對垢樣進行元素分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分為鐵的氧化物、泥沙及鈣的碳酸鹽和氧化物等。

表4 垢樣主要元素組成及含量

循環(huán)水里溶解了大量的氧，又由于換熱管表面的結(jié)垢不均一性，很容易在換熱管表面形成氧濃差的微電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在腐蝕電池中陰極反應(yīng)主要是氧的還原，陽極反應(yīng)則是鐵的溶解。碳鋼在水中發(fā)生的腐蝕機理為：

在腐蝕過程中，鐵生成氫氧化鐵從溶液中沉淀出來，因這種亞鐵化合物在含氧的水中是不穩(wěn)定的，進一步脫水后生成鐵銹沉積在金屬表面上，使得金屬表面形成潰瘍面狀的蝕坑，加速了碳鋼的腐蝕[6]。

3.4 工藝運行條件分析

采用HTRI換熱器模擬軟件[7-9]，在校核模式下對新氫壓縮機級間冷卻器進行模擬計算，運行計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同工況下流速分布

該換熱器管程設(shè)計循環(huán)水流量為 185 t·h-1，折合流速1.05 m·s-1，而實際工況下，計算得到的換熱器循環(huán)水流速僅為0.055 m·s-1。管程循環(huán)水流速遠低于設(shè)計流速，可以判定級間冷卻器的循環(huán)水側(cè)結(jié)垢主要是管程循環(huán)水側(cè)流速過低所致。流速太低，污垢和微生物粘泥很難隨著流股帶走，逐漸沉積在金屬表面上，造成冷卻器管壁垢下腐蝕。

4 整改方案

通過新氫壓縮機級間冷卻器管程循環(huán)水流速模擬核算，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水流速過低，是循環(huán)水側(cè)結(jié)垢及垢下腐蝕的主要原因。針對此問題，提出以下建議性措施：

4.1 控制循環(huán)水流速

通過增加循環(huán)水進水流量來提高循環(huán)水流速，嚴(yán)格控制管程循環(huán)水流速不低于1 m·s-1，避免粘泥、腐蝕產(chǎn)物等附著在管束中造成垢下腐蝕。

4.2 定期除垢

當(dāng)壓縮機備用時，級間冷卻器循環(huán)水不停用，回水閥門繼續(xù)保持全開狀態(tài)，消除由于循環(huán)水長時間停用造成冷卻器管壁積垢腐蝕的因素，并擇機對冷卻器管壁進行反沖洗，清除管壁沉積物。

5 結(jié)束語

某裝置新氫壓縮機級間冷卻器循環(huán)水流速的選擇，只考慮了傳熱的需求，而沒有充分考慮流速對設(shè)備腐蝕的影響。通過對冷卻器腐蝕泄漏原因的分析，制定了相應(yīng)的防腐措施，確保了裝置的長期穩(wěn)定運行。