乙烯碳五分離裝置冷凝器的腐蝕及防護措施

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

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乙烯碳五分離裝置冷凝器的腐蝕及防護措施

吳建平

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

某大型乙烯工廠的碳五分離裝置脫輕塔冷凝器在停工檢修時發現管束出現大量的穿孔泄漏。通過對設備附著物的化學分析和設備工況條件分析,得出結論：冷凝器管束的泄漏原因為腐蝕穿孔泄漏。影響腐蝕的主要因素有殼程工藝介質冷卻水水質不良、流速緩慢、設備腐蝕防護措施欠缺等。在此基礎上，提出了控制管束腐蝕的措施，一是改善水質，采用混凝、沉清、過濾等方法，去除原水中泥沙、蟲類、微生物等懸浮雜質，加強補充水的處理，做好循環水旁流過濾；二是合理控制循環水流速，應保障循環冷卻水管程流速不小于0.9 m/s；殼程流速不小于0.3 m/s；三是實施材料防腐蝕措施，可采取有機涂層防腐、金屬或合金鍍層防腐、材質升級等方式，提高設備的耐蝕能力。

冷凝器 腐蝕穿孔 原因分析 防護措施

1 冷凝器失效情況

某乙烯工廠的碳五分離裝置于2013年8月新建投產，運行至2014年5月，裝置組織停工檢修，其脫輕塔冷凝器E307(以下簡稱E307)經試壓，發現有9根管子穿孔泄漏，進行堵管處理，堵頭大端φ23 mm，小端φ18 mm，長度35 mm，維持該設備運行。運行至2015年5月時，E307泄漏加劇，經打壓試驗檢查，發現新增漏管42根，再次實施堵管處理。經檢查，殼程浮頭大頭蓋內積有較多的黏泥污垢。對E307管束抽芯檢查，管束表面可見附著大量的黏泥，清除黏泥后，發現管束表面有一薄層水垢沉積物，質地較硬。采用高壓水清洗方法去除沉積物后，又有12根管泄漏(繼續實施堵管)，可觀察到管束表層存在嚴重的腐蝕坑點，具有垢下腐蝕特征(見圖1)。可以判斷，E307穿孔泄漏的原因，是因腐蝕造成的。

圖1 E307管束表面的黏泥和腐蝕坑

2 E307腐蝕因素分析

2.1 E307概況

E307基本參數如表1所示，相關部件規格材質如表2所示。從設計角度來看，針對設備運行的工況條件，冷凝器E307相關部件、附件的材質選用均屬正常。

表1 E307 基本工藝參數一覽

表2 E307部件規格材質一覽

2.2 黏泥樣品分析

取E307管束外表面黏泥樣品進行化學分析，結果如表2所示。分析結果顯示：樣品中，550 ℃灼燒質量損失達到29.63%；腐蝕產物Fe2O3占樣品組分的7.53%；結垢因子(CaO+MgO+P2O5+950 ℃灼燒質量損失)占樣品組分的30.06%。揭示出E307管束存在腐蝕的基本條件，同時也反映出了腐蝕發生的結果。

2.3 沉積物類型判斷

由表3黏泥樣品分析結果及表4沉積物判斷參照表得出：黏泥因子29.6%屬污泥型；腐蝕因子7.53%偏結垢型；結垢因子21.39%屬污泥型，因此，判斷該換熱器屬于垢下腐蝕和黏泥微生物腐蝕，以黏泥微生物腐蝕為主。

表3 E307附著黏泥樣品分析結果

表4 沉積物判別參照

3 E307的腐蝕機理討論

E307殼程介質為敞開式循環水系統所提供的冷卻水，其通過熱回水在涼水塔噴淋過程中的蒸發來起到冷卻作用，噴淋過程中，水和空氣充分接觸，水中的氧常處于飽和狀態，水中氧會引起金屬鐵的嚴重腐蝕；同時，循環水中孳生、繁殖的微生物形成生物黏泥，會帶來金屬鐵的局部腐蝕及其他危害[1]。多重腐蝕因素的共同作用，造成了E307管束的穿孔泄漏。

3.1 E307的循環水腐蝕

如表2所述，E307管束材質為10號碳素鋼，其在運行過程中，會受到水中溶解氧的腐蝕，這是因為，和水接觸的金屬由于其化學成分的不均勻性、氧濃差、溫差等不均一性所造成的電位差異，構成了宏觀或微觀電池。在電池的陰陽極上發生了以下電化學反應，使金屬產生腐蝕。

陽極反應：2Fe→2Fe2++4e

陰極反應：2H2O+O2+4e→4OH-

總反應： 2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

在氧的作用下，反應進一步進行：

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

Fe(OH)3在金屬表面沉積，脫水而形成鐵銹Fe2O3。

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

E307作為冷凝器在循環水中所遭受腐蝕的程度，往往與pH值、溫度、溶解氧濃度等因素相關[2]。E307殼程介質是循環水，循環水pH值為6～9，殼程循環水的進出口溫度為33～43 ℃，循環水中溶解氧濃度接近飽和，此溫度下溶解氧含量為6～10 μg∕g,在此條件下，氧是陰極去極化劑，金屬腐蝕主要受氧的擴散速度控制，腐蝕速度與氧濃度成正比。

循環水中溶有碳酸氫鈣、碳酸氫鎂等不穩定鹽類，水流經過冷凝器管束表面受熱時產生反應：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+ H2O+ CO2↑

同時，水處理劑中含有磷酸鹽，遇到鈣離子時也會產生反應形成沉淀：

CaCO3,Ca3(PO4)2等溶解度小，均是難溶性鹽，結晶沉淀在冷凝器管束表面形成水垢。正是這些水垢，極大促進氧濃差腐蝕發生的條件，加劇了E307管束的腐蝕。

前述黏泥樣品化學分析結果顯示，結垢因子(CaO-MgO-P2O5)達到樣品組分的21.39%，外觀形貌觀察結果表明，E307管束表面附著水垢沉積物，E307管束附著物中腐蝕產物Fe2O3達到7.53%，以上證據均印證了其循環水腐蝕的存在。

3.2 E307的微生物腐蝕及危害

工業循環冷卻水污垢和腐蝕產物在550 ℃灼燒失去的質量為550 ℃灼燒失重，其燒失組成主要包括有機物、生物黏泥、化合水和硫化物。一般來說，如果灼燒質量損失達到40%～60%，可以認為污垢主要成分是生物黏泥，灼燒質量損失大于20%時，表明有相當數量的生物黏泥存在。圖2和圖3反映出，E307循環水側(殼程)存在較多的黏泥。如前所述，E307管束所附著黏泥樣品550 ℃灼燒質量損失達到29.63%，證實E307管束遭受到微生物的腐蝕和危害。

敞開式循環冷卻水系統，有充足的陽光、氧氣、二氧化碳、有機物以及適宜的水溫，為微生物的生長創造了便利條件，使其得到良好的繁殖。真菌、細菌和藻類，是循環冷卻水系統中造成腐蝕和其它危害的三種微生物，它們的危害有：

(1)產生酸 微生物在沉積物下繁殖，消耗氧氣，產生的代謝物呈酸性，使局部微環境pH值降低，造成設備的腐蝕。如硫酸鹽還原菌，將硫酸鹽轉化成酸性物質，使設備局部呈酸性而遭受腐蝕；

(2)生成生物黏泥 在設備低流速區的表面沉積附著，既降低了設備的換熱效率，又形成氧濃差電池，加劇了設備的局部腐蝕；

(3)破壞金屬表面的保護膜 一些微生物以烴類或某些有機物為營養，它會破壞有機緩蝕劑在金屬表面形成的保護膜，促進了設備的腐蝕。

4 腐蝕防護措施

4.1 改善水質

E307管束附著大量的黏泥污垢，極大促進設備的腐蝕，水質改善有待加強。主要措施有如下幾個方面:首先是加強補充水的處理，要采用混凝、沉清、過濾等方法，去除原水中泥沙、蟲類、微生物等懸浮雜質；采用軟化、除鹽等方法，減少或調質原水中鈣、鎂、鈉、碳酸根、硫酸根等溶解性雜質，使循環水達到《工業循環冷卻水處理設計規范》[3]所要求的各項指標；其次是做好循環水旁流過濾，可去除循環水中懸浮物和油污，進一步改善水質。間冷開式系統旁濾水量宜為循環水量的1%～5%；再一個是加強涼水塔遮蔽措施，防止藻類生長，防止灰沙、蟲類進入水池；最后是選用高效低毒的非氧化性殺菌劑，輔用高效黏泥剝離劑，進行殺菌滅藻，以抑制生物黏泥的大量產生[4]。

4.2 合理控制循環水流速

因工藝原因，E307中，循環水為殼程介質，流速較低，經測算，最低時僅為0.1 m/s，大大低于循環冷卻水殼程流速不得小于0.3 m/s的要求。循環水流速低，會造成腐蝕產物和黏泥污垢的沉積，加劇設備的腐蝕。因此，應保障循環冷卻水管程流速不小于0.9 m/s；殼程流速不小于0.3 m/s，并且，應盡量避免冷卻器中存在流體死角及低流速區,否則，應采取相應防腐蝕措施。

4.3 實施材料防腐措施

可針對E307循環水工作環境，選用合適的材料防腐措施[5]。目前國內外換熱設備的材料防腐措施大致有以下幾種:一是涂層防腐，利用涂料把介質與換熱設備基體屏蔽開，中斷化學與電化學腐蝕途徑。二是鍍層防腐，即利用電鍍或化學鍍工藝在換熱器基體表面沉積一層致密的耐蝕金屬或合金來抵抗介質的侵蝕。例如化學鍍鎳磷合金等[6-7]。三是材質升級，即通過提升管束材質等級達到防止設備腐蝕的目的，可將管束材質由10號碳素鋼升級為304奧氏體不銹鋼。

5 結束語

通過以上分析討論，得到如下結論：

(1)冷凝器E307管束的泄漏原因為腐蝕穿孔泄漏。

(2)造成設備腐蝕穿孔泄漏的原因，一是循環水對金屬的腐蝕；二是E307水側中生物黏泥的腐蝕和危害。

(3)提出了控制E307管束腐蝕的措施，一是改善水質；二是合理控制循環水流速；三是實施材料防腐蝕措施。

致 謝

本文得到了張勁松、杜巍、鄭翔等的支持和幫助，在此一并致謝。

[1] 化學工業部化工機械研究院.腐蝕與防護手冊-化工生產裝置的腐蝕與防護[M].北京:化學工業出版社，1991:471-472.

[2] M.G.方坦納，N.D.格林.腐蝕工程[M].北京:化學工業出版社，1982:268-271.

[3] 中國工程建設標準化協會化工分會.工業循環冷卻水處理設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2008:7-10.

[4] 歐陽志.循環冷卻水中生物黏泥偏高的原因及對策[J].大氮肥，2001,24(1)：65-66.

[5] 葛菊花.浮頭式換熱器失效分析及安全對策[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

[6] 姬玉林.涂層鍍層相結合的浮頭式換熱器特種防腐[J].化工腐蝕與防腐，1997,25(4):27-28.

[7] 曾超，宋天民，張國福.油漿換熱器管板開裂原因分析[J].管道技術及設備，2005(3):38-39.

(編輯 王菁輝)

Corrosion of Condenser in C5 Separator of Ethylene Plant and Prevention Measures

WuJianping

(SINOPEC-SK(Wuhan)PetrochemicalCo.,Ltd.,Wuhan430082，China)

A large amount of rupture leaking was found during the shutdown for maintenance of the condenser in stripper of C5 separation unit of a large ethylene plant.The analysis of chemical compositions of attachment on the equipment and equipment operating conditions concludes that the leaking of the condenser tubes is corrosion rupture leaking.The main factors affecting the corrosion are poor cooling water quality for the media at the shell side,slow flow velocity and insufficient corrosion prevention measures,etc.Effective corrosion control measures have been proposed such as (1) improvement of water quality by mixed condensing,settlement and filtration,etc to remove the sands,insects and microorganisms,etc from water.Make-up water treatment and cooling water filtration are under strict control; (2) The flow velocity of cooling water are appropriately controlled to ensure that the velocity of cooling water inside the tube side is no lower than 0.9 m/s and that inside the shell side is no lower than 0.3 m/s; (3) material corrosion protection measures are adopted such as application of organic coatings,metal or alloy coatings,material upgrading,etc to improve the corrosion resistance of equipment.

condenser,corrosion perforation,cause analysis,corrosion protection measures

2015-12-06；修改稿收到日期：2015-12-20。

吳建平(1963-)，大學本科學歷，中韓(武漢)石油化工有限公司高級工程師。長期從事石油化工設備技術管理工作。E-mail：wujp@sswpc.com.cn