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氮氣保護解決火炬塔底腐蝕

2019-03-27 09:58:00 作者：周順平來源：設備管理與防腐整理分享至：

某石化公司煉油廠火炬回收系統是各生產裝置的安全泄放和可燃氣體回收利用裝置。正常生產時低壓瓦斯回收利用，事故狀態下低壓瓦斯在火炬燃燒后直排大氣，燃燒產生的廢氣主要經檢測，達到國家對于鍋爐大氣排放標準要求設備。因加工加工原油的多樣性，高酸、高硫和高含鹽，使得石油化工廠的瓦斯系統管線常常處于腐蝕介質作用環境，造成管線腐蝕泄漏而發生著火爆炸事故，據有關資料表明，煉油企業每年因腐蝕造成損失占20%-50%。本案例對管線腐蝕失效的現象進行分析研究，提出火炬筒體采用氮氣保護，以延長設備使用壽命和裝置開工周期。

1、腐蝕因素

該石化公司加工高硫原油的比例逐年增大，原油的硫含量和酸值呈現上升的趨勢。公用工程瓦斯系統回收各生產裝置外排氣體-瓦斯氣，瓦斯中的硫化氫含量一直比較高，月平均為35600mg/m³，易對設備造成硫腐蝕。由于受火炬保護蒸汽和水封罐帶水的影響，瓦斯中的硫化氫溶于積水部位的水中，形成酸性液體，對管線底部和火炬筒體底部形成均勻腐蝕減薄。硫化氫只有溶解在管線內部的積水積液中才具有較強的腐蝕性，硫化氫在水中的溶解度最大，電離呈酸性，釋放出的氫離子是強去極化劑，使管道和設備底部積液處出現較強腐蝕。

2、H2S的腐蝕機理和影響因素

① H2S腐蝕機理

電化學失重腐蝕也叫硫化應力開裂（SSCC）腐蝕。在濕狀態下，H2S和CO的會產生電化學腐蝕，而且這種腐蝕作用會隨分壓值的升高而加劇。硫化應力開裂（SSCC）容易發生在焊接縫或熱影響區中的高硬度值的部位。

當電化學產生的氫滲透到鋼材內部組織比較疏松的夾雜物（包括硫化物和氧化物）處，并聚集起來形成一定的壓力。經過一段時間的積累會使接觸它的金屬管道和設備內壁的斷面上產生平行于金屬軋制方向的梯狀裂紋，從而導致材料變脆形成層狀裂紋，即HIC（氫誘發裂紋）現象，從而影響到管材和設備的安全性。

應力向氫誘發開裂（SOHIC）像HIC一樣，SOHIC發生在焊接的熱影響區及高應力集中的區域，但形成的裂紋是在貫穿容器壁厚的方向疊加。

②H2S腐蝕的主要影響因素

火炬筒體運輸過程中，使用材料的優劣很大程度影響著其抗腐蝕的性能。目前，各化工廠均已認識到了必須使用優質的鋼材作為生產用料，因此，大都使用的是高性能、高標準的管材（Q345R）。同時，在管材接合處的加工質量同樣也影響著其抗腐蝕的性能。因此，在注重了管材質量的同時，還必須嚴把加工關，降低因加工不當所引起的硫化氫腐蝕機會。

瓦斯氣性質的影響。H2S腐蝕主要受瓦斯氣中所含的水、H2S的濃度、CO：濃度、溫度、pH值等因素影響。

瓦斯氣中的水：水是造成電化學腐蝕的必要條件。由于瓦斯氣中H2S和水的存在，使H2S與鋼材間極易電解發生電化學腐蝕，從而使管材受損。

H2S濃度：含硫化氫酸性瓦斯氣中，氣體總壓≥0.448MPa，H分壓≥0.00034 MPa（絕），敏感材料會發生腐蝕，使管材產生坑蝕等腐蝕現象（見圖1）。

由圖1可以看出，腐蝕速率隨著H2S濃度的升高而增大，增大到一定的程度后又下降，這主要是由于結垢厚度增大了，對腐蝕的阻礙作用增強了；結垢厚度剛開始隨著H2S濃度的增大其厚度的增加速率比較快后來逐漸趨于穩定。

溫度：鋼鐵設備的腐蝕速率隨著溫度的升高而增大。在實際情況下，溫度對腐蝕的影響比較復雜，一般情況下是隨著溫度的升高腐蝕速率也增大（見圖2）。

pH值：pH值升高，腐蝕敏感性降低。pH值2～3時，腐蝕敏感性最高；pH值>5時，不發生硫化氫電化學腐蝕。

③火炬筒體硫化鐵形成原因分析

由于受火炬保護蒸汽和水封罐帶水的影響，瓦斯中的硫化氫溶于積水部位的水中，形成酸性液體，對管線底部和火炬筒體底部形成均勻腐蝕減薄。硫化氫只有溶解在管線內部的積水積液中才具有較強的腐蝕性，硫化氫在水中的溶解度最大，電離呈酸性，釋放出的氫離子是強去極化劑，使管道和設備底部積液處出現較強腐蝕。瓦斯氣中含有的H2S、CO2等腐蝕性介質在水的環境中對設備造成電化學腐蝕。通常認為，硫化氫溶解到水中形成弱酸，離解出H+與金屬發生反應。

H₂S→HS^-+H⁺

HS^-→S^2-+H⁺

FeS+2H⁺ →Fe²⁺+H₂S

硫化氫加速金屬的陽極電離，其反應機理如下：

Fe+H₂S+ H₂O →(FeHS^-) +H₃O+

(FeHS^-) → (FeHS⁺) +2e

(FeHS⁺)+ H₃O+ →Fe²⁺+ H₂O+S^2-+2H⁺

火炬在燃燒運行過程中，火嘴溫度升高，用蒸汽消煙霧化勢必帶來一定溶液，又因筒體輸送且氣量低、流速慢，導致筒底存在一定程度積液，客觀上加劇了H2S的腐蝕速率。當筒底積液后，瓦斯氣中的H2S和管線發生電化學反應。

3、H2S腐蝕控制

① 火炬筒體H2S腐蝕控制

火炬筒體H2S腐蝕的控制主要有以下幾個方面：

選用耐蝕材料。為防止火炬筒體發生氫致開裂（HIC），應根據火炬筒體的運行條件（壓力、溫度和介質的腐蝕性等），經濟合理地選用抗硫化物應力開裂（ssc）的材料。

控制腐蝕環境。腐蝕環境的控制，關鍵是脫水。脫除水、氧、硫等有害物質可防止酸性環境的形成。控制火炬筒體內腐蝕的關鍵是管內不能有積液。在日常管理我們根據火炬區腐蝕機理，對火炬筒體采取了用氮氣保護代替蒸汽保護并定期清管。定期或在線監測有關腐蝕與防護的參數，如硫化氫、二氧化碳和水的含量，以利于指導現場氮氣用量、清管及修復等作業。

選擇有效地內防腐層。以保護膜形式隔離腐蝕環境與鋼管接觸，主要防止電化學腐蝕，對SSC和HIC也起到一定的減緩作用。

② H2S腐蝕控制優化

控制腐蝕環境控制腐蝕環境的關鍵提高分離效果，盡可能多的脫出瓦斯氣中的水，即盡可能降低分離溫度。而筒體排液線水平放置依靠人工定期脫液，導致分離效果較差。筒體排設計為大斜度自動引流設施減少火炬筒體帶液成為控制腐蝕環境的關鍵。

火炬筒體采取了用氮氣保護代替蒸汽保護并定期清管，通過工藝介質更換，減少蒸汽冷凝液的產生和水的帶入。降低硫化氫在水中的溶解度。

4、結論

（1）含H2S的腐蝕很大一部分是由于H2S與水形成溶液后發生的電化學腐蝕，目前本廠采取的防硫腐蝕措施氮氣保護起到明顯的保護效果。但是對其他設備管線的防腐措施尚須進一步完善。

（2）通過完善低壓瓦斯生產管理制度，可以有效降低調整低壓瓦斯中H2S含量，使H2S對調整低壓瓦斯管線腐蝕速率大幅降低。

（3）定期召開防腐蝕攻關例會，對收集到腐蝕流數據進行整理分析；對新出現的腐蝕和重點腐蝕部位進行具體詳細分析，跟蹤調查、分析掌握腐蝕狀況、摸清原因，制定防腐措施。

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責任編輯：韓鑫