硫酸裝置液硫焚燒單元關鍵設備的腐蝕控制

喻 燦,張文博,王 申

(1.上海安恪企業管理咨詢有限公司，上海 200237；2.中國石化南京化學工業有限公司，江蘇 南京 210048;3.中國石油錦州石化公司研究院，遼寧 錦州 121000)

硫酸裝置液硫焚燒單元的關鍵設備為焚硫爐和廢熱鍋爐。從儲存單元來的液硫通過硫黃槍霧化送入焚硫爐內燃燒，焚硫爐內溫度1 000 ℃左右，SO2質量分數約9.5%的爐氣進入廢熱鍋爐進行冷卻會造成廢熱鍋爐低溫部位腐蝕。腐蝕會影響硫酸裝置安全運行，因此進行腐蝕風險的預測和防控就顯得尤為重要。

1 腐蝕分析

某廠硫酸裝置液硫焚燒單元的焚硫爐材質為Q235A，內襯一層保溫磚和二層耐火磚，爐氣進入廢熱鍋爐的管道材質為16MnR+耐火磚，廢熱鍋爐管束材質為20g。液硫﹑有機物和硫化氫等在焚燒過程產生多種產物，包括S，COS，CS2，SO2，NO，NO2，CO2和SO3等，這些燃燒產物以氣相形式存在，接觸這些產物的設備及管線存在潛在的腐蝕隱患。

液硫燃燒的主要原則工藝流程見圖1。

圖1 液硫焚燒工藝流程

焚硫爐及爐氣進入廢熱鍋爐的管道及跨線內壁襯里，在高溫下會出現劣質化(開裂、脫落等)，導致爐壁局部超溫，在停工期間產生露點腐蝕。另外進料管嘴存在沖刷腐蝕和高溫蠕變而產生裂紋，其失效形式以耐火材料損壞為主，耐火襯里損壞易導致鋼材的高溫硫化和高溫蠕變，在低溫時產生露點腐蝕。

廢熱鍋爐管束材質為碳鋼，入口側管板表面有耐火澆注料，換熱管有陶瓷套管，長約100 mm。在裝置正常運行時腐蝕輕微，在超溫下運行，陶瓷套管可能會破裂，導致管板和換熱管發生熱應力開裂[1]。在停工期間，管束管程側爐氣中的介質溶解到凝結水中形成酸性腐蝕環境，而在管束殼程側管接頭處，當處于氣液交界面時，易發生鍋爐水中堿濃縮引起的堿脆。

廢熱鍋爐出口管線材質為16MnR，主管線的支管盲區處于降溫區域，易發生低溫露點腐蝕。

對液硫焚燒單元而言，最關鍵的設備為焚硫爐和余熱鍋爐，主要參數見表1。

1.1 焚硫爐的重點腐蝕部位

(1)焚硫爐F-901 殼體為14 mm碳鋼，鋼殼內襯保溫磚和耐火磚，在襯磚和烘爐過程中，磚與磚之間不可避免會有一些孔和縫隙，煙氣會擴散到鋼殼內表面產生露點腐蝕。依據盧欽斯基露點計算公式計算焚硫爐出口爐氣露點溫度[2]，見公式(1)和(2)，計算所需參數和計算結果見表2。為了確保管壁溫度高于露點溫度8 ℃以上，要求鋼殼表面溫度不低于104.6 ℃。

表1 硫酸裝置液硫焚燒單元關鍵設備參數

表2 爐氣主要參數及露點溫度計算結果

盧欽斯基的相平衡數據回歸的露點計算式：

①當PH2O>1.102PSO3，w(H2SO4)≤98.3%

T=1 000/(2.281 19-0.066 2ln(PH2O)-0.048 77ln(PSO3)

(1)

②當PH2O<1.102PSO3，w(H2SO4)≥100%

T=1 000/(2.494 78-0.088 8ln(PH2O)-0.032 04ln(PSO3)

(2)

式中：PH2O為氣相中水蒸氣的分壓，mmHg(1 mmHg=133.322 Pa);PSO3為氣相中三氧化硫的分壓，mmHg;w(H2SO4)為露點時液相中硫酸的質量分數；T為露點溫度，K。

(2)當進焚硫爐的硫含量或空氣含量超標時，就會導致焚硫爐溫度過高。如果超過耐火磚承受溫度，耐火磚就會脫落，爐子外殼也會變形甚至破裂。當高溫煙氣噴出，會燙傷附近的操作人員。因此，根據耐火磚耐熱能力，設定高溫報警值對設備的安全操作很重要?？梢栽诜倭驙t外表面涂感溫變色漆，監控爐壁溫度。

1.2 廢熱鍋爐重點腐蝕部位

(1)在廢熱鍋爐爐氣入口端溫度很高，管板上的耐火澆注料易發生高溫氧化和耐火襯里退化，而管板耐火材料與鋼玉襯管損壞會導致管板超溫，導致管板高溫損傷。

(2)廢熱鍋爐風險相對較高的部位在管束或汽包區域的氣液交界處。根據2019～2020年的過熱蒸汽分析數據，蒸汽中鈉離子質量分數平均達到0.512 μg/g，遠超工藝指標0.015 μg/g的要求，使得汽包堿脆發生的可能性增大，因此，需要嚴格控制蒸汽中鈉離子含量。此外，在停車或檢修期間，停用鍋爐水側需要采取防腐措施。保證保溫良好和不用冷空氣吹灰，廢熱鍋爐內任何部位的壁溫均高于硫酸露點溫度，否則，靠近出口的部位易發生露點腐蝕。

通過對關鍵設備進行風險分析，獲得各項腐蝕對應的風險,見表3。各風險的判斷應該依據腐蝕風險表(見表4)，結合裝置實際的運行記錄和資料分析確定。

表3 液硫焚燒單元關鍵設備腐蝕風險

表4 腐蝕風險

2 典型案例分析

2.1 鍋爐汽包上升管焊縫開裂

上升管與汽包環焊縫出現裂紋，并向母材擴展,見圖2。

圖2 鍋爐汽包上升管焊縫開裂

2.2 鍋爐下降管與換熱筒體連接焊縫開裂

鍋爐下降管與換熱筒體連接焊縫發生開裂,并且裂紋沿環焊縫方向快速延伸。焊縫連接管的原厚度為8 mm，測量值在6.8～7.5 mm(見圖3),厚度略有減簿。

圖3 下降管在換熱筒體連接處形貌

2.3 開裂原因分析

通過腐蝕分析，兩處開裂均為堿脆，特征是發生在處于堿環境的設備和管道中，從表面起裂，主要發生在未經焊后熱處理的焊縫的熱影響區。pH值是鍋爐水水質控制的重要指標，在鍋爐水中含有一定量的鈉離子，在氣液交界面或出現水濃縮的滯流區會形成堿性物質(燒堿)的濃縮，在溫度和殘余應力作用下易形成堿開裂。

碳鋼在苛性堿環境中的腐蝕風險見圖4。由圖4可知，碳鋼在金屬溫度小于46 ℃時不易出現腐蝕性開裂；溫度在46～82 ℃，開裂敏感性是堿液濃度的函數。裝置運行時需關注溫度的變化，且應監控鍋爐水中鈉離子含量，避免溫度變化造成的堿濃縮,導致碳鋼的堿開裂。

圖4 碳鋼堿應力腐蝕開裂敏感性

3 腐蝕控制方法

常見的腐蝕控制方法有：選材優化、涂層防腐、陰極保護、工藝防腐、腐蝕監檢測以及腐蝕控制操作窗口等，對于該單元的關鍵設備，可采取腐蝕監檢測策略，見表5。

表5 腐蝕監檢測策略

4 腐蝕完整性操作窗口

為解決余熱鍋爐出口管箱可能出現的露點腐蝕以及鍋爐水側堿濃縮帶來的堿脆問題，就需要對影響腐蝕的相關參數建立腐蝕控制操作窗口[3](見表6)。關鍵參數的報警級別按照風險等級分為報警、警示和提醒，其主要區別是處理反饋窗口超限值所需時間的不同。對于報警級別，通常系統會有聲音或圖像報警給操作者，要求操作者采取特定應急措施將參數立即調回到窗口限值范圍;在某些情況下，儀表系統也可以自動停車進行回調；對于警示級別，也有圖像和聲音警報，響應時間可依據現場適當延長；對于提醒級別，會有圖像提醒超標，系統自動記錄該次提醒并進行次數統計，分析超標原因。

表6 關鍵工藝參數腐蝕控制操作窗口限值清單

5 結 語

通過對硫酸裝置液硫焚燒單元進行腐蝕分析和風險評估，明確了該單元中關鍵設備的潛在腐蝕和風險等級，并建立相關的腐蝕完整性操作窗口，窗口值結合了關鍵參數的限值指標和指標超標可能帶來的腐蝕風險等級，便于裝置的日常腐蝕風險分級管理，保證了控制設備風險的同時，達到生產效益的最大化。

通過爐氣參數計算露點，明確了廢熱鍋爐外壁的溫度不得低于104.6 ℃；通過對典型腐蝕案例的分析，確定設備具有較大的堿開裂腐蝕失效可能性，由此建立了鈉離子的控制指標，降低了設備堿開裂的風險。