新型耐蝕空冷器的研制與應用

趙達生

(中國石化集團洛陽石油化工工程公司,河南洛陽 471003)

新型耐蝕空冷器的研制與應用

趙達生

(中國石化集團洛陽石油化工工程公司,河南洛陽 471003)

介紹了一種用于石油化工和電力行業的新型耐蝕空氣冷卻器。通過使用耐腐蝕的鈦合金復合板制造空冷器管箱和以普通低碳鋼為基管、管內為鈦合金的復合管制造管束,以提高空冷式換熱器的抗腐蝕性能。與碳鋼空冷器相比,大大提高了空冷器的使用壽命,延長了設備檢修周期,可節約生產檢修費用;與不銹鋼空冷器相比,大大降低了設備的投資。可廣泛應用于石油、化工、電力等行業的空氣冷卻系統。

國內外煉油廠空氣冷卻器 (以下簡稱空冷器)用量非常大,在常減壓塔頂等部位,由于塔頂油氣中常含有 HCl,H2S和 H2O等腐蝕性介質,在冷凝中遇水形成非常強的腐蝕環境,即形成:HCl-H2S -H2O腐蝕體系,使得塔頂部分以及塔頂換熱器被強烈腐蝕,在加工高硫原油時顯得尤為突出。調查結果顯示:國內某煉油廠在加工高硫原油時,常壓塔頂空冷器使用 10個月就腐蝕穿孔更換新管束,甚至更短。目前國內加工進口含硫原油的比重越來越大 (主要是中東原油),該問題越顯突出。

國內外針對這一問題采用了各種防腐蝕措施,就國內而言,主要以工藝防腐蝕“一脫三注”為主。空冷器使用碳鋼材料制造,也有少數采用不銹鋼整體制造(采用不銹鋼容易發生應力腐蝕開裂),因造價等原因一般在該部位整體不用耐蝕高級材料。

針對上述問題,在大量調研的基礎上,經中國石化集團公司批準正式立項,開展了耐蝕空冷器的開發研究。

1 常壓塔頂冷凝系統的腐蝕

常壓塔頂腐蝕是由于塔頂油氣中 HCl和 H2S遇水冷凝形成腐蝕環境造成的[1]。由于塔頂冷凝系統中的 HCl和 H2S等酸性氣體及水冷凝析出,形成酸性環境,在這種環境中奧氏體不銹鋼易產生應力腐蝕開裂,而 Cr13系列馬氏體不銹鋼抗點蝕能力差,因此,目前國內塔頂空冷器常用碳鋼制造,同時附加其他工藝防腐蝕措施。

碳鋼空冷器的腐蝕特征是:腐蝕多為點蝕,并存在一個點蝕嚴重的部位。當塔頂介質出口溫度約為 100℃時,上述腐蝕部位位于塔頂空冷器換熱管入口端 1/3管長范圍內。而點蝕嚴重的部位及腐蝕速率受原油性質、操作條件、防護措施等的影響。一般來說,原油含硫高,腐蝕速率大,腐蝕較嚴重;含硫較低的原油在工藝防腐蝕“一脫三注”完善的情況下,腐蝕基本可以得到有效的控制。塔頂出口溫度較高時,碳鋼空冷器點蝕嚴重部位向下移動;塔頂出口溫度較低時可能導致塔頂塔盤及其他塔內件嚴重腐蝕和開裂[1]。

2 現有的技術措施

2.1 空冷器用低碳鋼材料制造

采用“一脫三注”工藝防腐蝕,而塔體、塔頂換熱空冷器用一般碳鋼材料制造。“一脫三注”是指脫鹽、注氨、注水和注“緩蝕劑”。

2.2 加強設備防腐蝕

由于種種原因單靠工藝防腐蝕并不能達到理想的防腐蝕效果,塔頂腐蝕時常發生,因此在加強工藝防腐蝕的基礎上,對重點部位、重點設備可采取以下防腐蝕措施。

2.2.1 涂層和襯里

有些煉油廠對常壓塔頂空冷器換熱管內壁采用有機防腐蝕涂層進行涂裝,來達到防腐蝕的效果。使用的涂料為換熱器專用涂料,如:TP901等。

2.2.2 非晶態化學Ni-P鍍

這是在具有催化性的金屬表面上進行的自催氧化還原反應,將活化后的金屬放入到鍍液中,在合適的溫度和 pH值條件下,鍍液中的 Ni2+和H2PO-2在金屬表面上發生氧化還原反應,沉積形成一層均勻牢固的金屬鍍層。

2.2.3 設備選用整體耐蝕合金材料

在工藝防腐蝕的基礎上,設備整體采用高級耐蝕合金材料 (雙相不銹鋼、蒙乃爾合金、鈦合金等)。

在此工況下各種材料出現的腐蝕類型見表 1。

表1 各種材料出現的腐蝕類型

3 采取的新措施

上述技術措施中,都不同程度地存在一些難以克服的缺點:

(1)工藝防腐蝕措施“一脫三注”:由于原油性質變化,雖采用“一脫三注”,但原油無法完全脫除原油中的有機氯及部分無機鹽,再加上存在 H2S,達不到塔頂對 Cl-和 H2S含量的應控指標,促使該部位產生腐蝕,造成塔頂空冷器的腐蝕穿孔;

(2)有機涂層技術:由于施工難度較大,往往引起鼓泡及存在漏涂現象,有機涂層對空冷器的傳熱影響也較大,防腐蝕效果不理想;

(3)鎳 -磷鍍層:工程化施工質量較難控制,易產生漏鍍現象,反而會引起空冷器管束的加速腐蝕穿孔;

(4)采用高級耐蝕合金整體制造空冷器。價格昂貴,煉油廠難以承受。

3.1 采用鈦合金作為耐蝕材料

防腐蝕材料的選用至關重要,其直接影響到空冷器的使用效果,且關系到否能滿足在此部位耐蝕的使用要求。

通過大量研究和實驗,使用了鈦合金 TA2作為空冷器的主要防腐蝕金屬材料。

3.1.1 鈦及鈦合金的主要特點

(1)儲量豐富,比重較輕;

(2)具有優良的耐蝕性能:與不銹鋼相比,其純態區域寬、容易鈍化;其氧化膜抗氯離子破壞能力強。工業純鈦和某些鈦合金對海水、海洋大氣、濕氯氣氯化物、次氯酸、硫化物、硫鹽酸、大多數氧化性的酸和有機化合物都是耐蝕的;

(3)具有良好的綜合機械性能;

(4)具有良好的耐高溫及低溫性能;

(5)工業純鈦和大多數鈦合金具有良好的鑄造、鍛造、焊接、切削和壓力加工等工藝性能[2];

(6)可取得良好的經濟效果:雖然鈦材的價格較高,但由于它的比重輕、強度高,特別是由于它具有優良的耐蝕性能,可延長設備的使用壽命,減少維護和檢修費用和停產損失;

(7)使用 TA2作為制造空冷器的主要耐蝕合金材料。這種鈦合金的耐蝕性能和綜合機械性能適中,與其他鈦合金不同之處是它含有較多量的氧、氮、碳及多種其它元素 (如:鐵、硅等),其實質上是一種低合金含量的鈦合金。與化學純鈦相比,由于含有較多的雜質元素后其強度大大提高,它的力學性能和化學性能與不銹鋼相似;強度高、但塑性好、易于加工成型,沖壓、焊接、可切削性等加工性能良好;但耐熱性較差,使用溫度不宜太高;主要應用于工作溫度 350℃以下、受力不大、但要求高塑性的結構件和耐蝕構件。例如:耐蝕閥門、泵及管道、煉油廠化工廠的換熱器、冷卻器等設備中。

3.1.2 腐蝕實驗

根據空冷器現場使用的實際情況,在實驗室模擬現場使用的工況條件下,對 3種材質:普通低碳鋼、18-8不銹鋼、鈦作對比性的腐蝕實驗,結果見表2。

表2 腐蝕速率對比實驗結果 mm/a

在某煉油廠塔頂部位進行了掛片實驗,結果顯示:TA2在此部位具有很強的耐蝕性,在使用一個周期內,幾乎沒有任何腐蝕現象發生。

常壓塔頂空冷器的一般工況條件見表 3。

表3 技術特性(工況條件)

某煉油廠常、減壓塔頂污水檢測結果見表 4。

3.2 管箱的防腐蝕措施

空冷器管箱的設計非常重要,除了滿足設計規范對空冷器管箱的一般要求以外,且必須滿足管箱與管束相連接的一些特殊要求。此外,還必須保證在實際加工制造中的可實施性,即加工容易實現、加工工藝簡單、生產成本低等要求。

常頂空冷器由于種種原因,腐蝕較嚴重的部位往往發生在管束的入口處以及管束與管板的連接處。

為防止上述部位發生腐蝕,管板采用復合管板 (16MnR+TA2),管束與管板的連接采用強度脹加密封焊的連接方式,這樣可以有效隔斷腐蝕性介質與碳鋼管板的直接接觸,徹底避免腐蝕發生。

考慮到該項目中管板與翅片管管束連接時加工的特殊需要,采用了可卸蓋板式管箱結構,見圖1[3,4]。

表4 常減壓裝置塔頂冷凝冷卻系統(2001年)

圖1 可卸蓋板式管箱結構

3.3 管束的防腐蝕措施

管束采用復合管技術進行制造:制造翅片管管束的管材,采用復合管技術,整個管內部為一層0.5 mm厚的鈦合金 TA2,管外部為低碳鋼無縫管,外部換熱翅片采用雙金屬軋制翅片管 (鋁合金軋制翅片管)。所用管材及翅片管見圖 2。

4 現場應用效果與結論

經過多方的努力,先后克服了復合管的研制、腐蝕實驗、管箱的加工、管束的制造等一系列困難,于 2005年 5月完成了首臺工業應用的“耐蝕空冷器”制造,并應用于鎮海煉油化工股份有限公司煉油四部Ⅰ套常減壓常壓塔頂,經過多年的連續運行,效果良好(見圖 3)。

圖2 管材及翅片管

圖 3 現場使用情況

通過多年的連續實際運行,該種空冷器使用效果非常理想,采用該項技術不僅可以解決常壓塔頂空冷器腐蝕的問題,而且經濟效益和社會效益非常顯著。

1 任忍重,趙達生.常減壓塔頂冷凝系統的腐蝕與防護[J].石油化工腐蝕與防護,1998,15(4):9-11

2 長春第一汽車制造廠和長春汽車.機械工程材料手冊[M].北京:機械工業出版社,1991.155-167

3 GB/T5386-94空冷式換熱器[S]

4 GB150-1999鋼制壓力容器[S]

Abstract:The air cooler discussed is a new corrosion-resistant air cooler installed in petrochemical and electric power industries. The headers are fabricated with titanium alloy clad steel plates and the tube bundles are manufactured with clad tubeswhose outside is low carbon steel and whose inside is titanium alloy to improve corrosion-resistance performance of the air cooler.As compared with carbon steel air cooler,both run length and maintenance cycle of the cooler are extended,saving the costs for the production maintenance.As compared with stainless steel air cooler,the inves tment cost for the equipments is reduced,and it can be widely used in air cooling system of the petrochemical and electric power industries.

Keywords:tower overhead,corrosion resistance,air cooler

A New Corrosion-resistant A ir Cooler

Zhao Dasheng
SINOPEC Luoyang Petrochem ical Engineering Corporation(Luoyang,Henan471003)

TE985.9

A

1007-015X(2010)03-0009-04

2010-01-13;

2010-03-06。

趙達生,(1961-),1982年 8月畢業于河南科技大學機械工程系,主要從事石化設備防護,設備研究,以及無損檢測工作。

關鍵題詞: 塔頂 耐蝕 空冷器