王磊
中國石化海南煉油化工有限公司 海南 洋浦 578000
硫磺回收聯合裝置是煉油廠環保裝置中的核心,在確保尾氣排放中SO2達標同時生產高品質液態硫磺。腐蝕性介質貫穿整個聯合裝置,做好設備管線的腐蝕防護是聯合裝置長周期運行的關鍵。隨著新環境保護法的實施,保證其安全環保運行更有必要的[1-2]。2017 年12月試運行以來,出現了一級冷凝器個別管束腐蝕穿孔現象;根據內窺鏡檢查結果,因管束結垢嚴重,冷凝器(1203-E-102)管束內壁無明顯腐蝕痕跡;1203-E-102殼程側為蒸汽發生器,主要介質為冷凝水+水蒸氣,殼程溫度在155℃左右,類似鍋爐的運行條件;管程介質為工藝過程氣;1203-E-102管束腐蝕穿孔部位靠近管程入口側的管束與管板脹接處,腐蝕減薄區域有明顯的穿孔現象,如圖1所示。文中針對這一腐蝕現象進行了系統分析,討論問題產生的原因,并提出詳細的解決辦法。
圖1 冷凝器(E102)泄漏管束部位及形貌圖
為分析腐蝕原因,對這三級換熱管進行渦流檢測,對一級冷凝器E102進行412根管束全面檢測,檢測結果顯示只有一根管束出現腐蝕現象,而且這一根管束正是腐蝕穿孔這根,其余腐蝕輕微,從大修的腐蝕調查報告顯示,該冷凝器腐蝕輕微,與檢測結果吻合,如圖2所示。
圖2 管束渦流檢測結果(紅色表示為腐蝕管束)
在管束上取塊狀樣品,依據GB/T 222-2006相關標準,使用光譜儀等,對管束的材質進行化學分析。結果表明,管束的Mn元素含量略高于標準,但符合GB/T 222-2006鋼的成品化學成分允許偏差,其余元素成分都符合10鋼的標準要求,見表1。
表1 管束材質的化學成分(wt%)
在管束上切取金相樣品,經預磨、拋光、腐刻后,在顯微鏡下觀察分析。管束的外、內管壁上均有一些小的腐蝕坑產生,蝕坑內有腐蝕產物存在;壁厚為3.17mm,沒存在明顯減薄現象;管束的金相組織為:鐵素體+少量的珠光體,見圖3所示。
圖3 冷凝器管束的金相組織
分別選擇基體腐蝕坑處、邊緣部位、腐蝕坑底部等不同位置分析其主要元素分布,具體位置和譜圖如圖4所示。蝕坑產生,也向管壁中擴展,蝕坑內有腐蝕產物;能譜分析表明,蝕坑中的腐蝕產物主要由O、Fe元素構成,在緊靠管壁基體區域的腐蝕產物中除O、Fe外,還含有少量的S等腐蝕性元素。
圖4 冷凝器管束腐蝕坑的能譜結果
圖5 腐蝕產物的XRD結果
能譜分析結果表明:蝕坑內有腐蝕產物,腐蝕產物在蝕坑中堆積并有部分剝落;能譜分析表明,蝕坑中的腐蝕產物主要由O、Fe元素構成,在緊靠管壁基體區域的腐蝕產物中除O、Fe外,還含有少量的S等腐蝕性元素,見圖4所示。這可能是腐蝕產物在此處累積造成的。 對腐蝕坑的區域進行了能譜分析,能譜結果顯示,裂紋處除了基體元素分布之外,發現一定量的硫元素,其原子百分數為1.9%。
經腐蝕產物的XRD結果譜圖分析可知,樣品的主要成分包括FeS。由于管束內主要介質為過程氣體,里面含有水分和H2S,FeS的產生機理為:H2S + Fe → FeS +2H+。
燃燒反應后的高溫過程氣進入制硫燃燒爐余熱鍋爐(E-101/E-201),在制硫燃燒爐余熱鍋爐中,采用發生蒸汽(4.6MPa)達到回收反應余熱并降低過程氣溫度的目的。過程氣溫度降至339℃后進入一級硫冷凝器(E-102/E-202),在一級硫冷凝器中,采用發生低低壓蒸汽(0.5MPa)達到回收反應余熱并降低過程氣溫度的目的,降溫是為了分出反應生成的單質硫。所以管程中的介質有沒反應完的 H2S、SO2、H2O。
根據前期對冷凝器(1203-E-102/104/105)腐蝕情況的檢查(參見上周期硫磺裝置1203-E-102/104/105腐蝕檢查報告),確認該硫磺裝置三級冷凝器的穿孔泄漏僅發生在裝置的一級冷凝器(1203-E-102)的個別管束上,穿孔位置靠近管程入口側的管束與管板脹接處,穿孔處管壁腐蝕減薄明顯,而且腐蝕穿孔是從管束內部向外壁發生,屬于典型的局部腐蝕破壞。
由于管程介質為過程氣(過程氣中殘留有SO2、H2S、CO2和水蒸氣等),在一定的條件下,會對管束內壁產生腐蝕破壞作用,如過程氣中的H2S具有很強的活性,當管束內含有夾雜,夾雜處就會產生電化學腐蝕,其腐蝕特性是非均勻的電化學腐蝕,形成層狀剝落(管內的層狀鐵銹)和局部蝕坑(導致管束的穿孔)[4]。由對管束內壁腐蝕產物的電鏡能譜分析,確認了管束內壁中存在層狀腐蝕產物FeS。
(1)對一級冷凝器E102進行412根管束全面檢測,檢測結果顯示腐蝕穿孔只是個例,不存在大面積局部腐蝕現象,從大修的腐蝕調查報告顯示,該冷凝器腐蝕輕微,與檢測結果吻合。
(2)綜合現場腐蝕情況及分析結果,一級冷凝器E102腐蝕失效的主要原因是:由于該管束夾雜,在 SO2、H2S、CO2腐蝕環境下出現局部電化學腐蝕區域,最終導致一級冷凝器換熱管穿孔和泄漏。
(1)管束生產企業需要加強對管束來料的質量管理。完善設備進場的質量控制。