煉油裝置常用的五種材料抗沖蝕規(guī)律研究*

詹劍良1，章偉涌1,金浩哲,章阿多

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310016)

近年來，煉油裝置加工的原油品質(zhì)越來越差，氮和硫等非烴類雜質(zhì)含量不斷升高，造成裝置出現(xiàn)腐蝕破壞情況越來越嚴(yán)重，尤其換熱器和空冷器一類設(shè)備時常發(fā)生腐蝕穿孔和泄漏等事故。通過現(xiàn)場解剖發(fā)現(xiàn)，多數(shù)冷卻裝置出現(xiàn)腐蝕失效是由管束的局部沖刷腐蝕穿孔造成的。停工檢修期間，采用遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)對管子壁厚進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)換熱管束存在不同程度的壁厚減薄和變形，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[1-3]。為了獲知不同材質(zhì)在多相流環(huán)境下的抗沖蝕規(guī)律，設(shè)計搭建了旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗裝置，研究煉油設(shè)備用的10號碳鋼、15CrMo鋼、雙相鋼2205、合金Incoloy825以及不銹鋼316L五種材質(zhì)的耐腐蝕特性，為石化企業(yè)以及相關(guān)設(shè)計單位設(shè)計選材提供理論依據(jù)，為煉油設(shè)備安全長周期運(yùn)行提供指導(dǎo)意見。

1 試驗裝置

旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗裝置示意圖見圖1。該裝置包括主路旋轉(zhuǎn)沖刷系統(tǒng)(左半部分)和旁路循環(huán)預(yù)膜系統(tǒng)(右半部分)。工作原理為：主路上依靠變頻電機(jī)帶動磁力傳動系統(tǒng)驅(qū)使帶齒槽的圓盤旋轉(zhuǎn)，確保容器內(nèi)部的腐蝕性溶液對放置在壁面上的電化學(xué)測試電極形成沖刷腐蝕，來實現(xiàn)模擬多相流對管子內(nèi)壁沖刷腐蝕。旁路上設(shè)置循環(huán)自吸泵，用來向預(yù)膜室輸送來自主路的腐蝕性溶液，保證安裝在預(yù)膜室壁面上的試件得到腐蝕。介質(zhì)溫度是依靠電加熱器、冷卻水循環(huán)以及熱電偶溫度傳感器組成的系統(tǒng)來控制。

圖1 旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗裝置示意

1—變頻電機(jī)；2—磁力傳動機(jī)構(gòu)；3—旋轉(zhuǎn)軸；4—壓力計；5—電化學(xué)測試傳感器；6—電加熱器；7—溫度傳感器;8—進(jìn)料口；9—墊液線；10—球閥；11—過濾器；12—循環(huán)自吸泵；13—預(yù)膜器

電化學(xué)測試探頭(右)與預(yù)膜探頭(左)實物見圖2。所用零部件毛胚均由中國石化鎮(zhèn)海煉油化工股份有限公司加工成型。圖2中實物照片上的乳白色部分，即電極之間絕緣體以及殼體，均采用經(jīng)過特殊處理的聚四氟乙烯材料。

圖2 預(yù)膜探頭與電化學(xué)測試探頭實物

2 試驗條件

模擬試驗條件見表1。

表1 模擬試驗條件

3 結(jié)果與討論

3.1 NH4HS濃度對沖蝕特性的影響

該試驗溫度為20 ℃，介質(zhì)中不添加NaCl。分別測試五種材質(zhì)在NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，8%和10%的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的抗沖蝕特性，利用測試獲取的開路電位圖和Tafel曲線通過轉(zhuǎn)化計算得到對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的腐蝕速率，見圖3至圖5。

圖3 NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時腐蝕速率

從圖3和圖4可見：隨著NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，五種材質(zhì)的腐蝕速率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。在NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和8%時，10號碳鋼與15CrMo鋼腐蝕速率較大，腐蝕速率與轉(zhuǎn)速呈線性趨勢增長，其余三種腐蝕速率隨轉(zhuǎn)速變動不大，體現(xiàn)了良好的耐腐蝕性。在NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，五種材料出現(xiàn)明顯的差別，材料的耐蝕性能在高濃度高流速狀態(tài)下得到體現(xiàn)。與低濃度試驗相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，材料腐蝕速率受轉(zhuǎn)速影響最大,五種材質(zhì)腐蝕速率最大值依次為：5.79，3.9，2.74，1.62和0.57 g/(m2·h)。除不銹鋼316L之外，其他材料腐蝕速率較NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時產(chǎn)生極大變化。

圖4 NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時腐蝕速率

圖5 NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時腐蝕速率

3.2 溫度對沖蝕特性的影響

該試驗NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用5%，介質(zhì)中不添加NaCl，分別測試五種材質(zhì)在溫度分別為20，40和60 ℃的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的抗沖蝕特性。利用測試獲取的開路電位圖和Tafel曲線通過轉(zhuǎn)化計算得到對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的腐蝕速率，見圖6至圖8。

圖6 介質(zhì)溫度為20 ℃時腐蝕速率

由圖6至圖8可見：五種材質(zhì)試件隨溫度升高腐蝕越來越嚴(yán)重。與20 ℃情況相比，60 ℃時10號碳鋼和15CrMo鋼的靜態(tài)腐蝕速率增長達(dá)至6～7倍，抵抗腐蝕能力較弱，而雙相鋼2205、合金Incoloy825和不銹鋼316L雖然變化強(qiáng)烈，腐蝕仍然比較輕微，抗腐蝕能力較強(qiáng)。

圖7 介質(zhì)溫度為40 ℃時腐蝕速率

圖8 介質(zhì)溫度為60 ℃時腐蝕速率

從圖7可知：10號碳鋼在轉(zhuǎn)速約250 r/min前，15CrMo在180 r/min前，二者腐蝕速率主要受流體力學(xué)作用主導(dǎo)，隨轉(zhuǎn)速呈線性快速增長，之后腐蝕速率趨于平穩(wěn)，增幅較小。雙相鋼2205和合金Incoloy825在增速過程中，材料表面性能穩(wěn)定，腐蝕速率變化不明顯。316L不銹鋼在轉(zhuǎn)速約360 r/min時，腐蝕速率明顯增大，之后腐蝕速率又趨于平穩(wěn)，完整的保護(hù)膜出現(xiàn)裂紋或脫落。360 r/min應(yīng)是316L在該試驗條件下的臨界轉(zhuǎn)速。

從圖8可以看出：五種材料腐蝕速率隨轉(zhuǎn)速波動不大，說明高溫環(huán)境使得腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生脹破的特征，表明此時的膜不再具有保護(hù)作用。在轉(zhuǎn)速為420 r/min后發(fā)現(xiàn)Incoloy825腐蝕速率變化較大，可以判定在該種試驗條件下420 r/min是其沖蝕臨界點(diǎn)。

3.3 Cl-含量對沖蝕特性的影響

該試驗溫度為20 ℃，NH4HS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。測試五種材料在Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,50，100和150 μg/g的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的抗沖蝕特性，利用測試獲取的開路電位圖和Tafel曲線，通過轉(zhuǎn)化計算得到對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的腐蝕速率，見圖9至圖12。

圖9 Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 μg/g時腐蝕速率

圖10 Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 μg/g時腐蝕速率

圖11 Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 μg/g時腐蝕速率

由圖9至圖12可見：Cl-含量對10號碳鋼和15CrMo鋼腐蝕速度影響最大，腐蝕速率隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。

由圖10可知：當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 μg/g時，10號碳鋼腐蝕速率在125 r/min前增加較快，在250 r/min后未出現(xiàn)圖9中的速率平臺，而是隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增長；15CrMo鋼腐蝕速率隨轉(zhuǎn)速變化較均勻，在約300 r/min時出現(xiàn)明顯的速率平臺；雙相鋼2205、合金Incoloy825以及不銹鋼316L腐蝕速率小且受轉(zhuǎn)速影響較小。從圖11可知：當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 μg/g時，與圖10對比，Cl-含量的增加使得10號碳鋼與15CrMo鋼腐蝕速率整體上有小幅增加，而雙相鋼2205、合金Incoloy825以及不銹鋼316L腐蝕速率卻減小。由圖12可知：當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 μg/g時，10號碳鋼在約230 r/min前腐蝕速率迅速增長到3.2 g/(m2·h)，此后隨著轉(zhuǎn)速的增加腐蝕速率小幅減小后穩(wěn)定在約2.7 g/(m2·h)。15CrMo鋼在約400 r/min后，腐蝕速率基本維持在2.1 g/(m2·h)。雙相鋼2205、合金Incoloy825以及不銹鋼316L腐蝕不明顯。

圖12 Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150μg/g時腐蝕速率

4 結(jié) 論

(1)總體上可見：10號碳鋼與15CrMo鋼抗腐蝕能力較弱，雙相鋼2205耐蝕性一般，Incoloy825與316L不銹鋼抗腐蝕能力較好。

(2)濃度的影響：NH4HS濃度的增加會加劇試件的腐蝕，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%上升到8%時，試件在轉(zhuǎn)速為0～750 r/min時平均腐蝕速率增長 0.2～1.5倍，而從8%升到10%時，平均腐蝕速率增長了2～10倍。

(3)溫度的影響：溫度的升高亦加劇試件的腐蝕。10號碳鋼與15CrMo在溫度為20 ℃升到40 ℃時與從40 ℃升到60 ℃時平均腐蝕速率均增長約1倍；雙相鋼2205在兩次溫度變化過程中平均腐蝕速率分別增長0.8倍和6.3倍；Incoloy825鋼在溫度為40 ℃及以下試驗中，平均腐蝕速率基本沒變化；但在溫度為60 ℃時，高轉(zhuǎn)速下腐蝕速率波動較大；316L不銹鋼在兩次溫度變遷中平均腐蝕速率分別增長2.3倍和1.8倍。

(4)Cl-含量的影響：10號碳鋼與15CrMo鋼平均腐蝕速率隨Cl-含量增大逐漸變大，雙相鋼2205的平均腐蝕速率卻是變化不大，不銹鋼316L基本保持不變，Incoloy825平均腐蝕速率的變化出現(xiàn)先變小后變大的過程，Cl-在150 μg/g以下時對Incoloy825鋼腐蝕不明顯。