環烷酸對原油提煉設備的腐蝕及防護研究

趙思寧，王軍山

（世紀萬安科技（北京）有限公司，北京 100029）

引言

現代的化工品在加工過程中具有流程多、受外部環境干擾大的生產特點，設備長期在生產過程中受化學原材料腐蝕的幾率也隨之加大[1]。環烷酸是存在于原油中的一種極具強腐蝕性的酸性化合物，在對石油進行高溫煉制時會對金屬制成的石化裝備產生極強的腐蝕作用。而目前我國石油資源十分短缺，在原有提煉加工中，應不斷向高硫、高酸、重質化方向發展[2]。但環烷酸在原油中占比較高，因此為加強原油提煉純度，必須要加強對高溫環烷酸流動腐蝕行為和作用機制的研究，促使煉油企業煉制高酸原油的比例不斷上升。

1 環烷酸及其腐蝕現象

在一般的生產當中，化工設備的腐蝕程度與設備的工作環境（例如溫、濕度條件）、加工生產的化工品有著直接的關系。化工設備在受到腐蝕后，很容易發生外觀、尺寸方面的變化，而對于化學腐蝕來說，常見的發生地點集中在化工設備表面與相應介質之間。

1.1 環烷酸對金屬材料的腐蝕

高含酸原油中的環烷酸分子量和分子結構并不相同，相對分子量通常介于180～700 之間，分子式表達式可以寫作：CnH2n+zO2或R（CH2）n-COOH[3]。在對含高酸的石油加工提煉時，需要經過高溫加熱的過程，而處于高溫狀態下的環烷酸極易對提煉金屬設備造成劇烈腐蝕性，尤其是部分管線，腐蝕速率高達10～40 mm/a，環烷酸分子量與腐蝕速率的關系圖見圖1。根據對事故發生條件的分析，管線的腐蝕如果不及時修補將會發生設備線路斷路、引發原油泄漏，甚至造成如火災、爆炸等二次事故，人員財產受到嚴重威脅。

圖1 環烷酸分子量與腐蝕速率影響示意圖

1.2 環烷酸加工過程中重點腐蝕部分

在高酸原油的加工過程中，含酸原油在物理蒸餾后會分解成汽、煤、柴及重質油等化工產品。環烷酸由于分子量和沸點的不同，各餾分組成也并不相同，對蒸餾裝置中的高溫設備與管路之間的腐蝕強度也各不相同。如圖2 所示，重色部分即為含酸原油蒸餾裝置中設備與管線易受腐蝕位置的分布圖，主要包括減壓爐、常壓爐、減壓塔和相關管線。

圖2 原油蒸餾裝置環烷酸腐蝕重點部位

在生產實踐中發現，原油蒸餾時環烷酸的腐蝕現象集中表現200～400 ℃之間，而腐蝕最嚴重的設備包括常壓爐爐管、減壓爐爐管、轉油線部分高溫管路。下頁圖3 為原油蒸餾裝置中，各重點設備的腐蝕情況示意圖。

圖3 原油蒸餾裝置環烷酸腐蝕部位圖

2 高溫環烷酸流動中腐蝕防治

針對高溫狀況下環烷酸的防腐技術主要有工藝技術防護和設備防護兩方面，包括對設備的選材進行合理規劃、對腐蝕程度進行定期檢查檢修、對設備腐蝕的重點部位進行評估上報等方面[4-5]。

2.1 腐蝕檢測

高酸原油蒸餾系統工作或者停工期間，將對所作業的設備與管路的腐蝕狀況進行針對性的檢查檢測，重點采集數據包括設備和管線的壁厚、腐蝕色澤、平整度、腐蝕速率等。然后將數據上傳至信息數據庫進行分析，計算設備和管線的剩余使用壽命并進行安全評估。腐蝕檢測是高溫環烷酸流動腐蝕的重要防控手段，不僅可以及時發現腐蝕隱患、預防事故發生，還可以積累信息數據庫，進行長期監控研究。

2.2 探針檢測

探針檢測法可以監測腐蝕發生的實際速度，通過在蒸餾裝置中針對腐蝕程度最嚴重的部位安裝探針，實現腐蝕速率的實時觀測。

2.3 高溫定點測厚

對化工設備及管線的壁厚進行定點測量是了解設備腐蝕程度最簡便的方法。但由于定點測厚是在高溫工況下進行的，對操作技術要求較高、花費較大，主要選取在300 ℃以上高溫、高流速、高雷諾數及易腐蝕的相變區域進行測試。

2.4 氫通量測量

氫通量測試儀可以對管壁內滲透出的氫元素進行準確的監測，根據氫含量來判斷腐蝕影響的程度，氫通量數值越高也就說明腐蝕程度越嚴重。氫通量測量法具有操作簡單、成本低廉、時效性強的特點，但由于氫通量只能定性反映腐蝕的劇烈程度，無法定量的給出設備管線的壁厚，因此常用于一般位置的腐蝕程度檢測。

2.5 重點元素含量采樣分析

高酸原油中含有Fe2+、Ni2+等介質元素，該類元素的分布濃度可以直接對設備和管線的腐蝕情況進行預測，從而為高溫環烷酸所造成的腐蝕提供定量數據。

2.6 現場腐蝕旁路檢測

現場腐蝕旁路檢測是在原油加工過程中，于特定階段在設備引出來的一條旁路，該路線支持技術人員取出相應的試樣進行分析。通常而言可以選取易受腐蝕影響的部位引出腐蝕旁路，例如常壓管路、減壓管路等，從而判斷含環烷酸物流的腐蝕性能。

2.7 定期腐蝕檢查

當設備處于停工或經過一段使用周期后，可以對系統內的所有設備和管線進行全面檢測檢查，發現腐蝕影響后集中進行整改。

3 趨勢預測方法

相比于當設備已經被環烷酸腐蝕后進行檢測和修復這種被動方式，如何對環烷酸腐蝕趨勢進行預測和評估則是主動性更強的控制方法。

3.1 腐蝕實驗法

腐蝕實驗是通過實驗裝置對所要分餾的含酸原油內的環烷酸進行腐蝕性的實驗研究，根據試驗所得的腐蝕數據更有針對性的進行設備材料的加固。使用較多的腐蝕實驗包括靜態實驗和動態實驗兩類，其中靜態實驗方法得到典型代表是高壓反應釜法，動態實驗則以對流體動態表征特征的實際演練和模擬為主。動態試驗由于更能模仿流體的實際運行狀況，因此具有更高的準確性。

3.2 酸值法

酸值法也被稱為酸度法，以實驗采樣的方式測定原油中的環烷酸及活性環烷酸的含量，根據其濃度高低判斷高酸原油的腐蝕能力，再計算環烷酸腐蝕指數（NACI）值的大小。

3.3 剪切應力判斷法

實驗研究表明，原油表面的剪切應力與環烷酸的腐蝕速率存在著非線性的對應關系，根據經驗公式進行計算后可以作為預測環烷酸腐蝕程度的參考標準。

4 結束與展望

雖然目前對高溫環烷酸的腐蝕現象已經建立了很多的防控措施與預測方法，但在工程實際應用上仍有不夠完善的地方，存在技術施工要求高、財力成本較大的缺點，導致設備腐蝕失效的事故仍時有發生。在將來針對現代化石油化工設備中的腐蝕問題中，還需提升現代化的防控手段和措施，針對不懂的設備特點制定相應的防腐措施，提高現代化工設備的使用效率。