石油化工管道沖刷腐蝕失效分析與預測

何 鵲，張 娜，許寶善，王得蛟

（1.蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司，甘肅蘭州 730060；2.甘肅建投重工科技有限公司，甘肅蘭州 730060）

管道腐蝕的形式比較多，而沖刷腐蝕導致的失效最為常見，沖刷腐蝕是管道機械與電化學在流體的作用下發生反應，導致金屬材料出現表層破損，而沖刷是引起管道損傷的物理原因，沖刷與電化學腐蝕共同作用，對管道安全穩定運行產生很大的影響，如果出現腐蝕穿孔等會直接影響國家能源戰略安全，這就需要加強對管道腐蝕速率進行判斷，確保石油化工管道安全、可靠運行，避免油氣泄漏引發安全事故。

1 石油化工管道沖刷腐蝕影響因素

對石油化工管道產生沖刷腐蝕的影響因素比較多，主要是由于流體流速，沖刷角度，流體溫度、流體顆粒含量、pH等因素影響。

1.1 材料性能

管道沖刷腐蝕受管道金屬材料影響較大，優質的管道材質具備的抗沖刷腐蝕性能，可以有效抵抗腐蝕，元素差異會導致抗沖刷腐蝕性能有所差異，C、Mo及N元素可以有效抵制金屬表面鈍化膜的溶解，Cr可以在金屬表面生成Cr2O3，使合金材料具有更好的抗沖刷腐蝕性能。相關研究表明，在不銹鋼鈍化體系中，金屬表面產生的電化學反應可以形成致密狀態的鈍化膜，有利于提升材料耐腐蝕性，而結構更為致密的鉻氧化物可以起到隔離作用。但沉積的Fe氧化中，耐沖刷腐蝕的性能起不到防腐作用。金屬材料具備的硬度、韌性等性能也會對耐沖刷腐蝕性能產生影響，如果流體不具備較強的腐蝕性，可以選用硬度大的金屬材料，可當流體存在較強的腐蝕性，需要考慮到管道材料的耐蝕性。強度低但韌性好的金屬材料會加速機械磨損，韌性差的材質易發生變形影響。而金屬材料表面粗糙度變大也會使接觸表面變大，這就會加快腐蝕速度。

1.2 流體沖刷

流體沖刷腐蝕主要是由于流速、流態、沖刷角度、傳質系數等因素影響，流態會對能量場、流動場產生影響，流態與管道金屬表面會產生接觸，流速會加速管道金屬的腐蝕速度，會對腐蝕介質向金屬表面傳送產生影響，流速大則會導致沖刷速率變大。非鈍化體系中，流速變大則會導致腐蝕速率變大，如果流體達到某區域后濃度擴散不受控，腐蝕速率就會變得更為平穩。

在鈍化體系中會存在臨界流速，如果流速不超過臨界值，鈍化膜受損后可以及時修復，材料具備更好的耐沖刷腐蝕性。如果沖刷腐蝕加劇，流速變快則會對鈍化膜產生更大的沖擊力，鈍化膜生成速度小于受損速率，金屬材料會持續暴露于流體中，就會使材料抗沖刷腐蝕變差。

在鈍化體系下，剛開始時流速變化并不明顯，如果流速達到上限，加大了破損鈍化膜修復難度，金屬管腐蝕情況會保持增速。流態有層流、湍流兩類，層流時腐蝕介質傳質速度較慢，不會產生較大的管道壁剪切應力，湍流的渦旋，對管道壁產生較大的剪切力。研究證實，湍流會對管道壁流場分布產生影響，還會使金屬材料與流體接觸更為頻繁，電化學協同效應會變強，會加快金屬材料腐蝕。流態和管道幾何形狀有著直接聯系，會彎頭、變徑等部位的流體會突然形成湍流、渦旋，會使該部件受到更嚴重打沖擊腐蝕。

剪切力也會對管道沖擊腐蝕產生較大的影響，流體具備黏性會在流經管壁時形成剪切力，在鈍化體系下存在的保護膜將會受損，會對管道壁邊界層流場分布帶來影響，國內有學者表明剪切力與鈍化膜受損存在正相關關系。剪切力受損程度較低，氧擴散控制特征會體現在陰極，流體供氧性能差且會使鈍化膜很快被修復。剪切力變大，加速保護膜受損速度，修復速度難以趕超受損速度，管道壁層流場分布也會變化，這樣就會加快保護膜的流失。

1.3 環境因素

流體溫度改變也會對沖刷腐蝕速率帶來影響，流體溫度升高會降低黏性，流體與管道金屬表面間的沖擊力會變大，溫度升高也會使氧擴散速率變大，金屬反應活性增強，電荷轉移速率變大會加劇電極表面損傷。金屬材料的延展性也會跟著溫度升高而變大。pH也會對沖刷速腐蝕速率產生一定程度的影響，沖刷腐蝕速率會跟著pH升高產生先降低后升高的變化，酸性環境下的腐蝕速率最大，這是由于鈍化材料無法在酸性環境生成保護膜，而中性流體中沖刷腐蝕速率會下降到最低，是由于pH的增加使介質氫離子濃度變小，腐蝕電化學反應從析氫反應變成吸氧反應。

2 污水汽提裝置彎管沖刷腐蝕失效分析

2.1 案例背景

某石油化工企業采用單塔加工工藝，用于處理減壓裝置、催化裂化裝置中含硫化氫、鹽酸和氨的污水，塔頂端酸性氣體通過換熱器進行冷凝，氣體溫度減小至80℃通過儲運塔回收，含有硫化氫、氨的污水通過換熱器冷卻以后輸送至分凝器，為了對溫度改變情況進行監測，在換熱器到分凝器管道部位安裝熱電偶。汽提管道材質為S31600不銹鋼，管壁厚度為4mm，操作溫度為120℃，污水壓力為0.15MPa，外送溫度區間為35-40℃，流量為20t/h。變管外徑108mm，壁厚4mm，熱電偶安裝于距離彎頭150mm。換熱器到分凝器管線彎頭部位側壁存在滲漏，需要對失效彎管進行腐蝕檢測和數值模擬分析。

2.2 失效行為分析

采用XRF和EDS無損檢測技術對管道金屬元素組成進行定性、定量分析，發現Cr、Ni和Mn都滿足316不銹鋼材料標準規定要求，采用數顯顯微硬度計對材料硬度進行檢測，硬度值都在171～187HV，滿足相關標準要求。采用草酸對彎頭材料進行電解刻蝕，并對電解前后進行金相分析，檢查是否存在晶間腐蝕的可能，從金相圖中發現彎頭為奧氏體不銹鋼孿晶結構，腐蝕不會出現腐痕，表明材質抗腐蝕能力較強。對失效彎頭部位進行切割取樣，發現腐蝕體現在金屬管壁，腐痕集中在金屬管內脊部位，隨著溝壑狀腐蝕坑加深引起的介質泄漏。一般情況下，流體接觸金屬表面會存在產物膜，對流體與金屬起到保護屏障作用，會抑制金屬材料的腐蝕。如果不產生沉積，表明流體沖刷作用不會對腐蝕造成正向影響，但由于流體作用導致金屬管道收到腐蝕，一般金屬材料直接暴露于流體則加快了腐蝕速率，該泄漏為電化學腐蝕與流體共同作用產生的。對失效壁面樣片采用顯微鏡進行表征觀察，發現彎頭存在圓形凹坑、溝槽腐蝕，腐蝕區域從凹坑向溝槽過渡，腐蝕溝槽的加深會使彎頭失效。

對腐蝕產物進行分析，采用EDS檢測技術對成分進行分析，發現產物中存在Fe、Ni、S等元素，S來自于原油中有機硫，通過化工過程轉變為無機硫，原油中無機氯進行處理后會分解為HCl，進行轉化后會變成NH3，而不存在水分的NH3不會腐蝕金屬材料，在熱交換時會使NH3轉變為液相，與H2S結合成NH4Cl等物質，然后達到電離平衡狀態，再與腐蝕產物保護膜反應形成酸性水環境，銨鹽吸濕溶解產生腐蝕介質。

2.3 流體動力學分析

在截面前直管段中，兩個管道壓力變化并不明顯，流體通過熱電偶部位時，由于正對流體來流方向，在該部位產生流動滯止，熱電偶表面承受壓力值最大，流體進入到彎頭部位時由于流向的改變會使其產生壓力梯度。在離心力的影響下，彎管外壁壓力會不斷變大，下游兩側管壁壓力會變小。熱電偶阻礙后的流體方向和流速產生改變，流體通過彎頭部位時比壓能會變成動能，受到熱電偶前期的擾動，流體流速得到進一步提升。在邊界流動層流動過程中，流體會在低速條件下出現偏轉而形成反向旋渦，內脊部位流體生成與主流垂直的二次流，也會使侵蝕變得更為劇烈，表明插入熱電偶的流速會高于無熱電偶。

入口部位兩個管道流態都比較均勻，如果流體經過熱電偶則會使過流斷面變小，流速會變大則存在流速上升區，也會產生流體渦旋而產生能量消耗。流體通過彎頭部位會受到離心力和熱電偶的共同作用，會使彎頭內脊部位速度變大，側壁速度也會相應變大，會在管道下游受到匯流作用，熱電偶起到的作用會不斷變弱，流速會重新達到無熱電狀態。對流體速度與剪切力關系進行驗證，剪切力的存在會剝離保護膜，導致管壁出現裂痕或蝕坑，而剪切力和速度梯度為正比例關系，安裝熱電偶會導致剪切力集中，比沒有熱電偶時范圍變大，熱電偶的存在導致流速充數大，彎頭部位湍流更為明顯，速度梯度變化區域也相應變大，導致剪切應力向內側變大。

2.4 失效機理分析

彎頭失效是污水汽提管道在運行環境中受到的沖刷腐蝕引起的，安裝熱電偶使流線分布變弱，腐蝕位置也發生改變。彎頭內脊和下游兩側管壁流速、剪切力最大，一旦超過了鈍化膜受損上限，會導致管道在沖刷作用下發生腐蝕。管材在運行過程中呈現出與充動方向平行的腐蝕痕跡，在該流體作用影響下，流速會不斷變大，痕變會圓坑演變為溝壑。彎管失效和介質特性也有著直接聯系，相關研究表明，氯離子與硫化氫具有協同作用，彎頭內脊和下游管壁有著較好的氯離子輸送能力，但因為氯離子半徑不大具有較好的吸附能力和滲透性，可以穿透管道金屬表面替換出保護膜內的氧，起到一定的活化作用，影響生產速率。因此，管道流速、剪切力和氯離子多個因子下，加速了彎頭局部腐蝕程度。

3 腐蝕防護優化對策

3.1 熱電偶長度

按照流體動力學相關理論，流體通過熱電偶時會存在阻塞現象，對流型的影響也比較大。熱電偶長度變大，流態均勻性會發生改變，彎頭內脊和兩側流速具有變大趨勢。最大剪切力分布區域存在熱電偶部位，隨著熱電偶長度的變大，集中區會從內脊向彎頭兩側轉移，剪切力也會跟著熱電偶長度變大則增加，這是因為沒有插入熱電偶時，離心力會使流體流態發生變化。但隨著熱電偶長度增加，插入部位流體截面變小，會引起局部速度變大。在該截面以后，受到熱電偶導流與分隔的影響，彎管部位流體方向變化會形成離心力，下游位置會存在較多的流態改變，線性被削弱而使腐蝕區域發生變化。熱電偶越長則有著更強的阻礙效應，熱電偶區域和下游流體規律性會變得更差，彎頭部位的流體方向改變引起的渦流現象更為強烈，對管壁剪切力也就更大。

3.2 彎管曲率半徑

彎管部位二次流會受到曲率半徑影響，不同曲率半徑彎管流速、剪切力分布有所差異。小曲率半徑彎管湍流區域比較靠前，流線變得會不穩定，存在著二次流和流動分離現象。高速流體存在會彎頭內脊，可由于曲率半徑的變大則會湍流區域靠后，流性規律得以改善。彎頭部位速度分布會受到曲率半徑影響，曲率半徑大則彎頭部位速度變小。彎管上游流速變化較小，彎管方向變化截面中，曲率半徑小彎管速度變化則越快，分離面積也相應變大，流體易產生流動分離，速度集中區域也更為顯著。在彎管下游區域，曲率半徑小不利于流體恢復形狀，不均勻分布和湍流產生速度增加抑制起來的難度更大。隨著彎管曲率半徑變大，剪切力會從側壁向內脊轉移，半徑變大則對流體的控制能力就越強，流體不規則性會變弱，對外脊擠壓會跟隨離心力對流體作用變小，這就使得腐蝕介質集中在彎管內脊。

4 結語

石油化工管道沖刷腐蝕失效應該從宏觀檢測、沉積物分析等入手，結合實例對不銹鋼彎管局部減薄泄漏進行研究，發現是由于熱電偶引流分隔引導起的流態不均，使流體流態發生改變，剪切力與速度集中于彎管內脊與兩側，局部流速過大導致的沖刷腐蝕。還受到速度最大部位氯離子傳質能力影響，使鈍化膜受損加劇，電化學腐蝕與流體共同影響下，使彎管部位失效，可以通過增大曲率半徑來降低離心力，避免彎頭部位受到沖擊，熱電偶安裝部位應該遠離彎頭，避免對流體流場產生影響，適當加大管徑來減小介質流速，減小流體對彎管內壁的沖蝕，可在管道內壁襯上防腐蝕材料，提高管道的使用壽命。