活性焦脫硫脫硝再生塔換熱管腐蝕原因分析

鄭 陽

(上海克硫環保科技股份有限公司南京分公司,江蘇 南京 210015)

活性焦脫硫脫硝再生塔是以換熱結構為主的設備,管程走吸附飽和的活性焦顆粒,殼程走換熱氣體。其部分換熱管是采用熱浸鍍鋁和高溫擴散后的包復金屬材料,具有較好的高溫抗氧化能力和抗剝落能力,在干燥的高溫氣體中具有穩定的使用周期。某公司的一臺脫硫再生塔換熱管,在使用過程中出現了因腐蝕而穿孔的現象。為查明其損壞失效的原因,割取兩節具有代表性的管段進行腐蝕調研,通過判斷腐蝕類型,并利用金相分析、掃描電鏡分析和X-RAY能譜分析等手段對腐蝕產物和腐蝕介質進行分析,探明脫硫再生塔換熱管腐蝕的原因,并提出防護措施。

1 現場腐蝕狀況

為判斷脫硫再生塔換熱管的腐蝕類型,對腐蝕管段外壁面和內壁面的腐蝕狀況進行分析。圖1為腐蝕管段外壁面形貌,由圖1可以看出,其中一節管段因腐蝕已經完全穿孔,腐蝕穿孔集中于管子的特定部位,管子的外壁似乎沒有特別的腐蝕跡象,經觀察發現其外壁腐蝕輕微,腐蝕減薄后的刃口在外壁一側,因此,腐蝕主要來自于管子的內壁。另一節管段則在管子外壁表面某一方位有一連串斑塊狀的腐蝕淺坑,淺坑中心是黑褐色的腐蝕點狀凹坑,淺坑周邊呈現亮銀色。

圖1 腐蝕管段外壁面形貌及局放

由圖2可知,內壁面腐蝕減薄嚴重,但腐蝕減薄集中于局部且具有流動沉積狀態,是典型的電化學腐蝕產物堆積形貌,此外,可以清晰地觀察出腐蝕后的刃口在外壁,所以腐蝕主要發生在管段內壁。

2 腐蝕產物和腐蝕介質分析

為探究脫硫再生塔換熱管腐蝕的具體原因,利用掃描電鏡分析、金相分析、X-RAY能譜分析以及元素線掃描分析對腐蝕管段的腐蝕產物和腐蝕介質進行了分析研究。

圖3為腐蝕穿孔的管段金相分析照片。由圖3可知,管子的顯微組織為細小的鐵素體和細小的珠光體,未發現異常組織;內壁局部腐蝕嚴重,呈現典型的電化學腐蝕特征(微電池),外壁的滲鋁層外形完整,鍍鋁層和滲鋁層清晰,具有良好的抗高溫氧化能力,尤其是面對干煙氣,滲鋁管的腐蝕有限。

圖3 管子截面的微觀金相分析照片

圖4為腐蝕管段內壁面的電鏡掃描結果。由圖4可知,腐蝕產物因后期的水分蒸發而呈固形物。為查找引起脫硫再生塔換熱管腐蝕的特定介質,對腐蝕產物進行了X-RAY能譜分析,并對腐蝕坑邊緣進行了特定元素的線分布掃描。

圖4 腐蝕管段內壁面掃描電鏡結果

圖5為腐蝕管段蝕坑底部和蝕坑邊緣的X-RAY能譜分析結果。由圖5可知,腐蝕產物中含有硫、氯、氧等可致腐蝕性介質,其中鐵元素和鋁元素的含量最高,蝕坑底部的氧元素遠遠大于蝕坑邊緣,這些介質均來自于脫硫工藝過程。考慮到材料的耐蝕特性及腐蝕介質的特性,針對鐵、鋁、硫及氧四種元素,對腐蝕坑邊緣的元素分布情況進行了線掃描。

圖5 換熱管腐蝕區域產物X-RAY能譜分析結果

圖6為腐蝕管段內壁面的元素分布掃描結果。結合圖5和圖6可知,腐蝕管段的內壁面鋁含量高達百分之十幾,應該具有良好的抗高溫氧化(干煙氣)能力,不應該出現這種異常腐蝕穿孔;蝕坑內外的硫含量變化不大,說明與工藝接觸的管子內壁面腐蝕條件基本一致;蝕坑內氧元素含量較高,這是腐蝕產物組成物中的一種重要形式。

圖6 管子內壁面元素線分布掃描結果

3 結果分析

綜合上述分析可知,對于脫硫再生塔腐蝕穿孔的換熱管,其腐蝕介質均來自于脫硫工藝過程,這些介質在干氣體狀態時,對滲鋁管的腐蝕性極小,至少在短期內不至于出現因腐蝕而穿孔的現象。同時,電化學腐蝕需要電解質的存在,而水及其溶液就是一個極好的電解質。根據服役工藝條件,在正常條件下,管子的溫度超過了該工藝壓力下的露點,因此,正常情況下也不會發生類似腐蝕。只有出現意外時,例如,該處溫度低于該工藝壓力下的露點,則出現凝液,導致形成良好的電解質,在含硫、氧及氯的電解質中,熱浸鍍鋁管將發生不可鈍化的活化電化學腐蝕,其腐蝕速度極快,在較短的時間內就會造成管子腐蝕穿孔。因此,管子局部意外凝液是本次脫硫再生塔換熱管腐蝕穿孔的主要原因。

對于外壁面某一方位具有一連串斑塊狀腐蝕淺坑的管段,經過解剖分析發現,斑狀蝕坑的中心是一個點狀小坑,而坑的周邊是一個更淺的腐蝕淺坑。根據液滴下的氧濃差電池的腐蝕機理,在點狀蝕坑的中心因為缺氧發生金屬的氧化反應,而蝕坑的周邊則發生氧的還原反應,還原反應的產物是OH-,由于在高溫下鍍鋁管的表面有一層氧化鋁層,故此產物在面對熱浸鍍鋁管時可輕易將氧化鋁溶解。于是,點狀液滴的中心金屬被氧化腐蝕,點狀液滴的邊緣氧化鋁被腐蝕還原所產生的OH-所溶解,進而發生輕微溶解腐蝕,這是熱浸鍍鋁管的特殊腐蝕現象。特別要注意的是,水滴或液滴是出現斑狀腐蝕現象的重要前提條件,其腐蝕機理見圖7。

圖7 斑狀腐蝕機理示意

4 結語

為探究某脫硫再生塔換熱管在使用過程中出現腐蝕穿孔的原因,觀察了腐蝕穿孔管段的內外腐蝕壁面,對管段的截面和內壁面分別進行了金相分析和掃描電鏡分析,并對管段腐蝕區域的產物進行了X-RAY能譜分析。結論如下:①脫硫再生塔換熱管內因意外液滴浸入導致滲鋁管發生電化學腐蝕,進而導致換熱管穿孔;②脫硫再生塔換熱管外因意外浸入液滴而導致滲鋁管發生斑塊狀(氧濃差電池)腐蝕;③滲鋁管在無凝液的現役條件下具有良好的抗高溫氧化的能力,防止凝液的出現是解決上述兩種局部腐蝕現象最有效的方法。