乙烯裝置原料烴管線腐蝕泄漏原因分析

劉 楠 吳恩柏 高 涵 張 杰 王科林

（1. 中國石油天然氣股份有限公司四川石化分公司，四川 成都 611930；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180）

0 引言

乙烯裝置以石油或天然氣為原料，生產高純度乙烯和丙烯，同時副產多種石油化工原料產品，故在石化企業中位置相當重要。然而，隨著國內外油品的逐漸惡化，裝置運行時間的持續增加，乙烯裝置腐蝕問題層出不窮，研究人員對相關腐蝕問題的探析也不斷加深。詹爽[1]通過研究發現，裂解爐空氣預熱進氣通道被冰塊堵塞，致使爐管發生高溫水蒸氣氧化和超溫氧化，將會導致乙烯裂解爐對流室混合預熱管束出現腐蝕氧化；馬紅杰等人[2]針對乙烯裝置稀釋蒸汽發生器管束頻繁發生泄漏的問題，通過分析發現堿腐蝕與氣蝕是造成管束腐蝕泄漏的主要原因，而結焦與管殼程介質設計等影響因素促進了管束腐蝕的發展；趙彥龍等人[3]通過對乙烯裝置壓縮系統段間換熱器腐蝕泄漏機理研究，發現原料在裂解過程中產生了大量的酸性物質，這些酸性物質夾雜在裂解氣含水凝液中呈現出較高酸性，使得換熱器發現腐蝕泄漏。

2022年10月11日，國內某石化企業乙烯裝置4#裂解爐入口原料烴進料管線通道1高空彎頭發生穿孔泄漏（如圖1所示），在做出停料處理后，組織對1#～8#裂解爐原料烴管線彎頭、三通、直管等260個部位進行了測厚排查，其中減薄率超過40%的部位多達13處（全部位于彎頭部位），腐蝕風險嚴峻。因此，分析原料烴管線發生泄漏的原因，研究管線腐蝕機理，以采取合理措施降低管線腐蝕風險，對提高裝置運行穩定性與安全性至關重要。

圖1 乙烯裝置4#裂解爐原料烴管線泄漏位置

1 失效分析實驗

選取泄漏部位上游一彎頭（壁厚減薄率43%）進行失效分析實驗，以便分析腐蝕減薄機理，具體如下。

1.1 宏觀形貌

彎頭背彎處內部凹凸不平，覆蓋有厚度不均勻的大量銹層。個別部位存在明顯點蝕坑，且有破損現象。管壁內部銹層密布大量裂紋，對基體保護作用較差。個別區域內存在黑色瘤狀腐蝕產物，應該為管道內介質腐蝕后凝結形成，如圖2（a）所示。側彎處內部相對于背彎部位較為平整，大部分表面區域內覆蓋有淺褐色及黃褐色銹層。銹層與基體結合較差，容易脫落。黃褐色銹層脫落部位基體凹凸不平，有腐蝕痕跡，如圖2（b）。

圖2 腐蝕減薄彎頭宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從減薄彎頭上取樣，依據GB/T 23942-2009《化學試劑 電感耦合等離子發射光譜法通則》，采用光譜儀等對其材質進行化學分析[4]，結果見表，原料烴管線材質成分符合A-106B鋼的標準要求，如表1所示。

表1 材質化學成分（wt%）

1.3 顯微組織

切取換熱器管束開裂處金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察，結果如圖3所示，發現彎頭減薄部位（背彎、側彎）內壁組織結構為鐵素體+片層狀珠光體結構。彎頭未減?。ㄖ惫埽┎课唤M織結果為典型鐵素體+片層狀珠光體結構，與減薄部位相比，珠光體分布更加均勻，這是由于機械加工過程中造成的金相組織變化，屬于正?，F象。

圖3 彎頭金相組織圖

圖4 蝕坑內部中間部位微觀形貌

1.4 電鏡分析

采用日本日立公司生產型號為S-4800Ⅱ型掃描電鏡對彎頭樣品形貌進行觀察，發現背彎表面覆蓋有銹層，銹層表面有明顯的破損和脫落，凹凸不平。對銹層平整處及破損處進行元素能譜分析，結果顯示其銹層主要成分由Fe、O、S及Cl元素組成，如表2所示。元素mapping掃描結果顯示，銹層表面O、S、Cl元素均勻分布，Fe元素濃度集中于一側，如圖5所示。

表2 彎頭元素含量分析（wt%）

圖5 元素mapping掃描結果

1.5 XRD分析

刮取彎頭內部銹層，收集研磨后進行物相分析。結果如圖6所示。管壁內部腐蝕產物主要為鐵的氧化物及硫化鐵為主，與能譜元素分析結果相符合。

圖6 腐蝕產物XRD結果

2 分析與討論

2.1 工藝分析

乙裂解爐入口原料烴通道上游管線分別為石腦油管線、清焦空氣管線和稀釋蒸汽管線，管線資料如表3所示。在不同的時間段內流經的介質情況有所區別。

表3 管線基礎資料表

表4 石腦油腐蝕性介質含量分析（2022年平均）

工況1（正常運行）：原料烴通道介質為石腦油（15噸/h）；

工況2（燒焦）：原料烴通道介質為清焦空氣（3.5噸/h）+稀釋蒸汽（1.5噸/h）（由工藝水產生），該工況約60d進行1次，每次持續時間45h；

工況3（熱備）：原料烴通道介質為稀釋蒸汽（2.5噸/h），該工況在每次燒焦結束后進行，持續時間6～8h；

因此，裂解爐在60d左右進行清焦作業時，不飽和稀釋蒸汽進行進料置換，在管道局部冷卻后出現液態水，造成熱空氣中的氧溶于液態水中，形成溶解氧電化學腐蝕環境，對管道局部造成腐蝕。且石腦油介質中含有一定量的硫元素及少量氯元素，是造成腐蝕的原因之一。此外，定期清焦作業時，水蒸氣及部分空氣中的氧被帶入管道，與管線發生反應形成氧化鐵等銹層。

2.2 材質分析

乙裂解爐入口原料烴上游管線材質選擇A-106B，屬于美標標準無縫鋼管，與中國20#鋼標準一樣。該材質主要成分與機械性能與國產20#鋼一致。由于乙裂解爐入口原料烴上游管線主要介質為石腦油，腐蝕性較弱，材質選擇符合設計要求。

從彎頭樣品失效分析的結果看，該處管線金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒清晰完整，未出現破損及其他異常。乙烯裂解爐及相關設備常見的腐蝕問題，如滲碳損傷、熱變應力腐蝕、熱疲勞等，從金相及掃描電鏡檢查的結果分析，均未發現上述腐蝕行為。這主要是由于管線內石腦油介質溫度較低，不容易發生各種熱腐蝕行為。

2.3 綜合分析

結合工藝分析及材質分析結果，原料烴管線在氯元素及硫元素協同作用下，易形成垢下閉塞電池而造成腐蝕。硫元素、氧元素在管道內表面易生成氧化鐵或硫化亞鐵保護膜，但氯具有良好的滲透能力，可以穿過保護膜腐蝕基體管線而逐漸形成蝕坑。且在生產過程中進料具有明顯的沖蝕效果，彎頭部位流速較快，保護膜或氧化皮被清理后，漏出基體管線又與腐蝕性介質發生反應形成腐蝕，如此周而復始最終導致管線減薄甚至穿孔泄漏[5-7]。

3 結論與建議

從失效分析結果、工藝流程綜合判斷，乙烯裝置原料烴管線腐蝕問題主要是由于石腦油介質中的硫元素及少量氯元素造成的局部腐蝕，與生產過程、清焦過程中介質高速流動造成的沖刷腐蝕，兩者相互結合導致管線減薄。

對于管線材質，在條件允許的情況下可升級為不銹鋼材質，或采用內襯措施降低腐蝕風險；工藝方面，適當控制石腦油中硫化物含量，防止發生硫化物腐蝕。適當控制介質流速，減少沖刷；監檢測方面，增加管線彎頭部位定點測厚頻次，重點腐蝕部位可采用在線測厚儀器，停工檢修過程中對系統管線進行全面排查，以便采取措施杜絕泄漏事故。