芳烴抽提裝置白土罐密排管線穿孔失效分析

摘 要：本文對某石化公司芳烴抽提裝置二甲苯白土罐密排管線穿孔失效情況進行了闡述，通過對穿孔管段的化學成分分析、金相分析、掃描電鏡分析和能譜分析等，認為造成該管線穿孔失效的主因是腐蝕磨損，介質的機械沖刷是輔因，同時介質中存在的大量Cl元素加劇了管壁的腐蝕，進而大大增加了腐蝕磨損速度，對此提出了對應的防腐蝕對策。

關鍵詞：芳烴抽提;管線;腐蝕磨損;Cl元素;對策

某石化公司芳烴抽提裝置采用中石化石油化工研究院抽提蒸餾工藝技術，主要由芳烴抽提，C6分餾和混合二甲苯分餾及配套公用工程組成，于2015年6月建成投產。二甲苯白土罐作為混合二甲苯分分餾單元的關鍵設備，起著脫除C8+芳烴中微量烯烴和雜質，保證芳烴產品酸洗比色合格的重要作用。2018年9月，因混合二甲苯產品溴指數超標，公司安排于9月9日更換新白土。9月7日-9月8日，在對白土罐D17303A切除進行蒸汽吹掃過程中，罐出口密排與出口主管線相連彎頭及直管部位出現穿孔外漏蒸汽。為查找該管段穿孔失效原因，對穿孔管段進行了化學成分分析、宏觀腐蝕形貌和微觀金相組織分析，同時對穿孔管段內壁及腐蝕產物分別進行了掃描電鏡和能譜分析，探討了產生穿孔失效的原因，提出了對應的防腐蝕對策。

1 穿孔管線相關工藝流程和工藝條件

1.1 白土罐D17303AB工藝流程

脫C7塔C17301塔底物即C8+芳烴經泵P17301升壓后進入白土塔進料/二甲苯塔底換熱器E17304與二甲苯塔底物料換熱后送至白土罐D17303，經過白土罐精制脫除芳烴中微量烯烴和雜質后，再進入二甲苯塔C17302進行進一步的分餾。二甲苯白土罐D17303分為A/B罐，正常操作時A/B罐采用串聯與主流程聯通，當日常采樣發現混合二甲苯產品溴指數接近指標上限已經不滿足產品脫除要求時，需要將其中一個罐進行單獨切除隔離并通蒸汽和氮氣進行吹掃置換，置換合格后人工對白土進行更換，以滿足產品脫除要求。吹掃置換共分為蒸汽吹掃和氮氣置換，首先進行蒸汽吹掃，通過設計有的DN40蒸汽吹掃管線向白土罐內通入一定流量的1.0MPa蒸汽，罐內蒸煮出的油氣隨著蒸汽凝水一起從罐出口密排管線進入裝置密閉排放系統。蒸汽吹掃合格后，隨之進行下一步氮氣吹掃，通過設計有的DN25氮氣置換管線向罐內通入適量0.6MPa氮氣，并不斷由罐出口密排管線排入裝置密閉排放系統，通過對排放氣樣取樣化驗分析，來判斷是否置換合格，直至達到滿足人工更換白土的安全工作條件。

1.2 相關工藝條件

穿孔管段與白土罐工藝條件如表1所示。

2 腐蝕分析

2.1 化學成分分析

將穿孔管段取樣進行化學成分分析，結果見表2，管段的化學成分符合GB/T-699標準中20#鋼化學成分規定。

2.2 宏觀形貌分析

2.2.1 穿孔部位位置

穿孔部位位于白土罐出口通往裝置密排系統的密排管線與主線相連的第一個彎頭處，彎頭和一部分直管已呈現完全腐蝕減薄穿孔。

2.2.2 宏觀分析

①從泄漏管段的外觀宏觀形貌看，管內壁外環處已經被沖刷掉很大一部分，該沖刷區域也是管內流體沖刷力最大處，其他部位也明顯減薄，現場泄漏管內壁都有明顯的被沖刷的痕跡;

②管內壁都存在明顯的腐蝕積垢層，所有部位都有明顯的腐蝕坑存在。

2.3 微觀組織分析

為全面了解泄漏管段的微觀組織狀態，對管段的不同部位進行切割金相取樣，分別取重度沖刷區（泄漏區域邊緣），輕度沖刷區（泄漏區域對面），遠離泄漏區3個部位進行微觀組織分析，用5%硝酸酒精溶液對樣品浸蝕后，觀察各個部位的金相組織形貌，見圖4、圖5、圖6。從金相顯微鏡下觀察，穿孔管段在重度沖刷區，輕度沖刷區和遠離泄漏區的顯微組織均為鐵素體+輕度球化的珠光體，組織劣化輕微。在重度沖刷區，內壁沖刷減薄處未見明顯的純機械磨損導致的晶粒嚴重塑性變形形貌，結合宏觀表面覆蓋著明顯的垢層現象，說明該處的沖刷減薄為腐蝕磨損導致。在輕度沖刷區，內壁沖刷減薄區域有明顯的腐蝕坑，但也未見明顯的純機械磨損導致的晶粒嚴重塑性變形形貌，說明該處的沖刷減薄為腐蝕磨損導致。在遠離泄漏區，內壁沖刷減薄區域也有明顯的腐蝕坑，該處也未見明顯的純機械磨損導致的晶粒嚴重塑性變形形貌，判斷該處的沖刷減薄同為腐蝕磨損導致。

2.4 內壁掃描電鏡和腐蝕產物能譜分析

考慮到重度沖刷區總體腐蝕最重，比較有代表性，我們選取重度沖刷區內壁進行掃面電鏡觀察其微觀形態，見圖7。從結果看內壁表面覆蓋著明顯的腐蝕垢層，未顯露出金屬基底，垢層整體呈疏松狀。

選取重度沖刷區內部腐蝕產物進行能譜分析，定量分析腐蝕產物中的元素含量，見圖8。從結果來看，內壁腐蝕產物只有Fe，O，Al，Si，Cl元素，但是Cl元素的含量高達47.78%，說明該腐蝕產物主要是Fe的氯化物和Fe的氧化物。Cl元素的大量存在會極大的提高鋼的腐蝕速率，尤其是在高溫條件下，Cl元素會極大侵蝕鋼的基體，主要在局部發生點腐蝕，然后破壞保護性的鈍化層，使腐蝕往金屬深處擴展。

2.5 綜合分析

沖蝕和沖刷是兩個不同的概念，沖刷是材料表面單純被機械力破壞，一般是固體粒子流沖向材料表面時，造成短程微切削和塑性變形，在微觀組織上可以明顯的觀察到沖刷面有晶粒塑性變形損傷，該破壞，機械損傷是主因。沖蝕也叫腐蝕磨損，因為大部分金屬表面都被腐蝕（氧化膜或垢層）覆蓋著，當液體或氣體介質流經金屬表面的腐蝕層后，腐蝕層被磨掉，在介質的作用下又很快形成新的腐蝕層，然后又被磨掉，依此持續，直至材料被腐蝕破壞。腐蝕磨損是由腐蝕和機械磨損兩個作用相繼進行的過程。尤其在腐蝕較嚴重的酸、堿、鹽等特殊介質發生化學腐蝕的情況下而產生的磨損，其磨損率更大，磨損痕跡更深，破壞更明顯。其微觀特征是磨損面微觀組織沒有明顯的機械沖刷導致的晶粒塑性變形特征，但有明顯的腐蝕形貌存在，這種腐蝕磨損腐蝕是主因。

對于本次彎管的沖刷穿孔，正是由于管內介質的腐蝕磨損造成的，從沖刷表面的微觀組織及掃描電鏡形貌可以確定，又由于腐蝕產物中有明顯的Cl元素存在，這更會加速管道內壁的腐蝕速率，進而提高沖刷減薄管壁的速度。所以得出如下結論：

①泄漏管是腐蝕磨損造成的，腐蝕是主因，介質的機械沖刷是輔助因素;

②管內壁腐蝕物中有大量Cl元素存在，Cl在高溫下能加速管壁的腐蝕，進而增大腐蝕磨損的速度。

3 防腐蝕對策

通過對管段穿孔失效原因的分析探討，結合多年來的實際生產經驗，制定了有針對性的應對策略：

①鑒于彎頭和管線穿孔是腐蝕磨損造成的，結合現場實際情況，此次我們采取增加彎頭和管線壁厚來提高此處管線整體腐蝕余量，彎頭和管線壁厚系列由Sch80提升至Sch100，即管線和彎頭規格由Φ60*5.5提高至Φ60*7;

②對Cl元素的來源進行分析。通過查閱歷史檢修記錄和廠家資料，發現此批白土Cl元素超標，介質中的Cl元素來源于白土本身，對此我們更換了白土廠家，嚴控新白土的有害金屬Cl元素含量;

③加強白土罐相關系統的腐蝕管理。將白土罐、罐進出口及密排管線納入每年定點測厚范圍，定期進行跟蹤檢測，及時跟蹤掌握腐蝕磨損速率。

4 運行結果驗證

自2018年9月更換厚壁彎頭和管線，并更換新白土后，根據此后多次白土更換的蒸汽吹掃置換考驗，定期測厚數據及2019年裝置停工大檢修的檢查鑒定結果，白土罐相關系統管線設備至今運行良好，未發現其中特別是密排管線有明顯腐蝕減薄部位。

參考文獻：

[1]楊力，曾宏，王漢軍，王延明.芳烴抽提裝置苯塔402空冷出口管線失效分析[J].石油化工腐蝕與防護，1999，16（3）： 19-21.

[2]朱娟，張喬斌，陳宇，張昭，張鑒清，曹楚南.沖刷腐蝕的研究現狀[J].中國腐蝕與防護學報，2014，34（3）：199-201.

[3]魯濱.管道沖刷腐蝕的原因分析及處理[J].廣東化工，2015， 10（42）：164-164.

作者簡介：

方小剛，中級工程師，設備副主任，從事設備管理工作。