加氫裝置換熱器垢下腐蝕原因分析及預防措施

武卓

中海油惠州石化有限公司 廣東 惠州 516086

隨著石油化工工業的不斷發展和加氫裝置的廣泛應用，加氫裝置換熱器作為重要的工藝設備，在煉油和化工生產中扮演著關鍵的角色。但是，隨著運行時間的推移，加氫裝置換熱器往往會面臨著垢下腐蝕問題，這不僅會降低設備的熱傳導效率，還可能引發嚴重的安全隱患，導致設備損壞和生產中斷。垢下腐蝕是一種復雜而嚴重的問題，它的出現通常與多種因素密切相關[1]。本次研究主要是對加氫裝置換熱器垢下腐蝕的原因及預防措施進行系統研究，為提高工業生產效率、降低運營成本和確保工藝安全奠定基礎。

1 加氫裝置換熱器垢下腐蝕原因分析

1.1 流體成分因素

加氫裝置中通常存在硫化物，這些硫化物可以與金屬表面發生反應，產生硫化物沉積物，這些沉積物可能導致垢層形成，硫化物的存在也可以引發硫化腐蝕，其中硫化物與金屬表面形成硫化物皮膜，損害金屬的完整性。含有硫酸鹽的流體也可能引發腐蝕問題，硫酸鹽可以與金屬表面發生化學反應，產生硫酸沉積物，這些沉積物在高溫下可能會變得具有腐蝕性，導致金屬表面受損。碳酸鹽也是常見的垢下腐蝕因素之一，碳酸鹽可以在高溫高壓下溶解并重新沉積在金屬表面，形成碳酸鹽垢層，這些垢層可能包含有害的離子。氯化物是另一個常見的引發腐蝕的因素，氯離子可以在金屬表面引發腐蝕性的氯化腐蝕，特別是在高溫高壓環境下，氯化腐蝕可能會非常嚴重[2]。加氫過程中可能會產生酸性物質，如硫酸和鹽酸，這些酸性物質可能會侵蝕金屬表面，導致酸腐蝕，酸腐蝕通常在高溫條件下更加嚴重。氧氣的存在可以引發氧化腐蝕，在加氫過程中，如果氧氣進入系統，它可能與金屬表面發生氧化反應，導致金屬的腐蝕和銹蝕。

1.2 流體溫度及壓力

高溫環境下，垢層通常更容易形成，這是因為高溫度可以導致流體中的溶解固體物質更容易沉淀在金屬表面上，形成垢層，高溫也可能增加金屬的腐蝕速率，在高溫下，腐蝕反應通常更加活躍和快速，因此金屬的腐蝕會更嚴重，同時高溫條件下，金屬的抗腐蝕性可能降低。高壓環境下流體中的物質更容易溶解，因此垢層的形成可能較少，但是高壓也可能導致流體更密集地與金屬表面接觸，從而增加了垢層的累積速率，高壓環境下，腐蝕反應通常更加緩慢，這是因為高壓可以抑制腐蝕反應的進行，但是高壓下仍然可能發生腐蝕，尤其是在存在腐蝕性物質的情況下[3]。低流速可能導致垢層更容易形成，在低速流動的情況下，流體中的懸浮固體和溶解物質可能更容易附著到金屬表面形成垢層，此外，低速流動也可能使垢層較難清除，高速流動通?？梢詼p小垢層的形成，并降低腐蝕的風險，這是因為高速流動可以減小流體與金屬表面的接觸時間，從而降低了腐蝕反應的機會。

1.3 金屬材料

不同金屬材料對于不同的化學環境具有不同的穩定性，加氫裝置中的流體可能包含酸性物質、硫化物、氯化物等腐蝕性物質，如果選擇的金屬材料在這些物質的存在下不穩定，它們可能會與流體中的成分發生化學反應。金屬材料的電化學特性對垢下腐蝕也有影響，在特定的電位下，金屬材料可能會發生陽極腐蝕或陰極腐蝕，如果金屬的電化學特性不適合加氫裝置的工作條件，就可能引發腐蝕問題。金屬的腐蝕電位是指金屬與溶液中腐蝕性成分發生電化學反應的電位，如果金屬的腐蝕電位與流體的電位差距較大，金屬可能更容易發生腐蝕，因此，金屬材料的腐蝕電位也是一個重要考慮因素。一些金屬材料具有較高的耐蝕性，能夠抵抗各種化學物質的侵蝕，如不銹鋼、鎳合金和鈦合金通常在加氫裝置中表現出較好的耐蝕性，因此被廣泛用于抵御腐蝕和垢下腐蝕[4]。加氫裝置通常在高溫高壓條件下運行，這些條件可能影響金屬的物理和化學性質，某些金屬在高溫高壓條件下可能更容易發生腐蝕，因此在這些條件下選擇合適的金屬材料非常重要。

1.4 操作因素

壓力的波動可能會對加氫裝置換熱器的性能產生負面影響，壓力的不穩定性可能導致金屬的應力變化，從而增加了腐蝕的風險，此外，壓力波動還可能影響流體的相變行為，導致溶質的沉淀和垢層形成。不合適的操作條件，如不穩定的操作溫度和壓力、過高的流速、不適當的流體分流等，可能導致垢層的不均勻形成，不均勻的垢層可能會導致金屬表面的腐蝕集中在某些區域，從而加劇腐蝕問題。垢層的積聚通常會導致金屬表面的不均勻腐蝕，如果不及時清除垢層，垢下腐蝕問題可能會進一步惡化，清除垢層通常需要停機維護，因此操作和維護的不合理安排也可能影響設備的正常運行[5]。

1.5 垢層的存在

垢層可以改變金屬表面的電化學特性，形成一個局部的電池，這通常表現為垢層下部的金屬成為陽極，而垢層上部的金屬成為陰極，這種電化學效應會導致垢下腐蝕的發生，因為在陽極處的金屬區域更容易腐蝕。垢層通常是多孔的，允許流體中的氧氣或其他氧化劑穿透到垢層下部，形成所謂的"差氧區"，在差氧區內，氧氣可以與金屬表面發生氧化反應，導致金屬腐蝕，這種情況尤其在高溫高壓條件下更為嚴重。垢層可以吸附流體中的有害物質，如硫化物、氯化物等，這些物質可能在垢層下積聚，這種積聚可能會導致局部腐蝕，因為有害物質可能在垢下腐蝕區域引發腐蝕反應。垢層的存在可以阻礙腐蝕產物的排放，當金屬表面發生腐蝕時，產生的腐蝕產物通常會被流動的液體帶走，但是垢層可能阻礙這些產物的排放，導致腐蝕產物在金屬表面積聚，增加了腐蝕的風險。垢層內部的化學環境可能與流體相比更有利于腐蝕的發生，這可能會催化腐蝕的發生，例如垢層內部的酸性或堿性環境可能增加了金屬的腐蝕速率。

2 加氫裝置換熱器垢下腐蝕預防措施研究

2.1 合理選擇金屬材料

選擇具有高耐蝕性的金屬材料，以適應加氫裝置的工作環境，不銹鋼在抵抗酸性物質、硫化物、氯化物和碳酸鹽等有害成分方面表現良好，常用于加氫裝置換熱器的制造，鎳合金在高溫高壓和腐蝕性環境下表現出色，鈦合金對于氯化物和硫化物的抵抗性極高，適用于一些特殊的加氫裝置。詳細了解加氫裝置中流體的成分是至關重要的，了解流體中的有害物質的濃度和性質，以選擇合適的金屬材料?？紤]加氫裝置的工作溫度和壓力條件，選擇金屬材料以適應這些條件，一些金屬在高溫高壓下表現良好，而其他金屬則可能不適用?？紤]金屬材料的電化學特性，以確保其與流體成分相容，金屬材料的腐蝕電位和電極電位等參數應與流體條件匹配?？紤]加氫裝置中可能出現的不同腐蝕類型，如硫化物腐蝕、氯化物腐蝕、碳酸鹽腐蝕等，選擇材料時應考慮不同腐蝕類型的風險，同時可以考慮使用防護涂層或附加的腐蝕抑制劑，以增強金屬材料的抵抗力。

2.2 控制流體成分

實施定期的流體成分監測，以了解加氫裝置中流體的成分，可以通過化學分析、在線傳感器等手段來實現，了解流體中的有害物質濃度和種類對于預防垢下腐蝕至關重要。硫化物是常見的垢下腐蝕原因之一。通過控制流體中硫化物的濃度，可以降低腐蝕風險，這需要在流體中添加硫化物抑制劑或采取其他化學處理措施，氧氣的存在可以引發氧化腐蝕，采取措施如使用氮氣氣氛或其他保護氣體來減少氧氣的進入系統，以降低氧化腐蝕的風險，控制流體的pH值可以影響垢下腐蝕的發生。在一些情況下，調整流體的pH值，使其更中性或堿性，可以減少垢下腐蝕的風險。使用適當的過濾器和其他設備，以去除流體中的固體顆粒和雜質，可以減少垢層的形成和腐蝕的風險，同時可以向流體中添加抑制劑或緩沖劑，以降低有害物質的濃度或改善流體的化學性質。

2.3 控制溫度壓力和流速

確保加氫裝置的操作溫度在設計范圍內，并避免過高或過低的溫度，過高的溫度可能加速垢層的形成和腐蝕速率，而過低的溫度可能導致某些物質的沉淀，在需要降低熱損失的情況下，使用絕熱材料和保溫措施，以穩定溫度并減少熱交換器表面的結露。確保加氫裝置的操作壓力在設計范圍內，并避免過高或過低的壓力，不穩定的壓力波動可能導致金屬的應力變化，避免突發的壓力沖擊（如閥門關閉或啟動時的沖擊），以減少金屬材料的應力和腐蝕的機會?？刂屏黧w的流速，確保其在設計值范圍內，高速流動有助于減小垢層的形成，避免低速流動。因為低速流動可能導致垢層的形成，和清除困難，增加了腐蝕的風險，安裝流量控制器和流量計，以確保流體的流速和流量在可控范圍內，避免過高或過低的流速。

2.4 定期清洗和維護

制定詳細的定期維護計劃，包括清洗、檢查和修復工作，計劃應根據設備的使用情況和腐蝕風險制定，并明確每項工作的頻率和程序。定期進行化學清洗，以去除垢層和腐蝕產物，化學清洗過程通常包括使用腐蝕抑制劑和清洗劑，以確保金屬表面的清潔，對于難以去除的垢層，可能需要進行機械清洗，如使用高壓水射流或機械工具來清除垢層。定期進行水沖洗，以清除設備內部的雜質和腐蝕產物，水沖洗可用于去除固體顆粒和其他沉淀物，使用非破壞性檢測技術，如超聲波檢測或射線檢測，來檢查金屬材料的狀況，特別是在清洗后，這有助于及時發現潛在的腐蝕問題。定期檢查密封和閥門等關鍵組件，確保它們沒有泄漏或損壞，泄漏可能導致流體成分的變化。還需記錄每次維護的數據，包括清洗和修復的詳細信息，以及任何發現的問題和采取的糾正措施。

2.5 引入陰極保護

定期測量金屬表面的電位，陰極保護的關鍵是確保金屬表面的電位保持在一定的負值范圍內，通常在-0.8～1.2V內，電位測量可以通過使用參考電極和電位計來實現，根據電位測量結果，必要時施加電流以保持金屬表面的陰極電位，可以通過連接外部電源和陽極材料來實現，以確保電流流向金屬表面。將其保持在陰極狀態，選擇合適的陽極材料，以確保其具有足夠的耐蝕性，并且能夠提供所需的電流，常見的陽極材料包括鋁、鎂和鋅等。定期檢查陰極保護系統的性能，確保陽極和電纜沒有損壞或腐蝕，維護包括清潔陽極表面、更換損壞的部件，并修復任何電路故障，根據金屬材料、流體成分和工作條件，設定適當的保護電位，定期監控陰極保護系統的性能，包括電位、電流和陽極材料的消耗情況，如果出現異常，立即采取糾正措施。

3 結束語

腐蝕是威脅加氫裝置換熱器使用壽命和使用安全的重要因素，研究發現加氫裝置換熱器內部的流體條件和化學環境可能導致金屬材料的腐蝕，垢層的形成不僅會增加熱阻，還可能催化腐蝕的發生，同時操作溫度和壓力的波動、流體的化學成分以及操作不當等因素也可能加劇垢下腐蝕問題，因此，需要根據引發加氫裝置換熱器垢下腐蝕原因的不同，采取多種類型的預防措施，確保加氫裝置換熱器長期處于安全運行狀態。