制氢装置变换气分液罐出口管线腐蚀穿孔分析及防控_吴培毅.pdf

失 效 分 析石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY2023 年第 40 卷 第 2 期引用格式:吴培毅，孙涛，高楠 制氢装置变换气分液罐出口管线腐蚀穿孔分析及防控J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):54-56，60WU Peiyi，SUN Tao，GAO Nan Corrosion perforation analysis of transformation gas separator tank outlet pipeline in hydrogen manu-facturing unit and its prevention J Corrosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):54-56，60制氢装置变换气分液罐出口管线腐蚀穿孔分析及防控吴培毅1，孙涛1，高楠2(1 中海油惠州石化有限公司，广东 惠州516086;2 沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳110000)摘要:某石化公司制氢装置变换气分液罐底部出口管线弯头发生穿孔泄漏。为了找出其原因，对失效管线的腐蚀形貌、金相组织、腐蚀表面微观特征及腐蚀产物进行了分析，结果表明，出口管线弯头穿孔泄漏的主要因素是管线内酸性水(碳酸)的二氧化碳腐蚀和凝结水的流体冲刷作用;腐蚀和冲刷的交互作用加速了弯头管壁的减薄直至穿孔。提出了加强监控和管线材质升级等防控措施。关键词:制氢;酸性水;CO2腐蚀;弯头;穿孔收稿日期:2022-11-03;修回日期:2023-01-16。作者简介:吴培毅(1987)，工程师，工学学士，现工作于中海油惠州石化有限公司设备管理中心，担任材料及管道工程师。E-mail:wupy cnooc com cn某石化公司制氢装置变换气分液罐底部出口管线上的一个弯头发生了腐蚀穿孔。为查明腐蚀穿孔的原因，对其进行了腐蚀失效分析，以便采取相应的措施。操作参数:管线的操作温度为 38，操作压力为 2 69 MPa，管线材质为碳钢，管线规格为114 mm 5 mm。管内介质为变换气凝液。变换气中主要成分为 H2，CO 和 CO2等。1检测分析1 1管线的宏观和低倍形貌观察制氢装置变换气分液罐底部出口管线内的凝液是由上向下流动的，经过 90弯头后转为水平流动;管线弯头的穿孔泄漏部位是在弯头与直管连接的焊缝附近(焊缝的弯头侧)，见图 1。1 2管线材质分析分别从管线弯头和直管上切取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等对其材质进行化学分析，数据见表 1。结果表明，弯头和直管的材质均为 20 号钢。2 3金相检验在弯头穿孔处可观察到弯头内壁凹凸不平、严重减薄，有一些腐蚀产物积存;弯头的金相组织为铁素体+珠光体，见图 2 和图 3。图 1管线弯头的宏观及低倍形貌(穿孔处及附近)2 4电镜及能谱分析使用扫描电镜(SEM)对管线弯头穿孔处及附近的内壁和截面进行形貌观察和能谱分析(EDS)，结果表明:腐蚀产物主要是由 C，Fe 和 O45第 2 期吴培毅等 制氢装置变换气分液罐出口管线腐蚀穿孔分析及防控失 效 分 析等元素构成;同时，因凝结水的流体冲刷导致弯头内壁上的腐蚀产物出现大量剥落，见图 4。表 1管线材质的化学成分w，%项目CSiMnPSCrNiCu弯头0 214024705070023 70018 50026 60013 90027 1直管0 197027505450016 00009 10021 20008 40026 720 号钢017 023017 0 37035 0650 0350035015030025图 2弯头穿孔处附近管壁的金相组织(纵向)图 3弯头穿孔处附近管壁的金相组织(横向)图 4弯头内壁(穿孔处)的 SEM+EDS从弯头穿孔处附近的内壁上刮取腐蚀产物若干，对其进行 X 射线衍射分析(XRD)。腐蚀产物的 XRD 分析结果显示:弯头内壁的腐蚀产物主要是 FeCO3，见图 5。FeCO3为钢铁在 CO2环境下的腐蚀产物，即弯头内壁的腐蚀主要是 CO2的腐蚀。图 5弯头穿孔处腐蚀产物的 XRD 分析3综合分析对制氢装置变换气分液罐底部凝结水出口管线上的穿孔弯头进行理化检验分析，认为造成管线弯头减薄穿孔的主要因素:弯头内凝结水的腐蚀;弯头内凝结水的冲刷;管线材质的耐蚀性能不足。(1)制氢装置变换气中的主要成分为 H2，CO和 CO2等，当变换气中出现凝结水时，就会使变换气中的这些组分溶解到凝结水中。当 CO2溶于凝结水形成碳酸时，就会对碳钢类装置及管线产生碳酸腐蚀1。碳酸对碳钢管线的腐蚀，其实质就是二氧化碳的腐蚀。CO2的腐蚀机理2:CO2+H2OH2CO3(1)H2CO3H+HCO3(2)55失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷HCO3H+CO2 3(3)2H+FeFe2+H2(4)Fe2+CO2 3FeCO3(5)其总腐蚀反应:CO2+H2=O+FeFeCO3+H2(6)CO2对碳钢的最初腐蚀产物是由一层紧密的、黏附的 Fe(HCO3)2薄膜组成。长时间暴露会导致 Fe(HCO3)2转变为黏附性差、疏松的 FeCO3层。对弯头穿孔处附近内壁腐蚀产物进行 SEM和 XRD 分析，确定了管线弯头内壁的腐蚀产物是黏附性差、疏松的 FeCO3。(2)管线(弯头等)内壁材料在遭受 CO2腐蚀后在表面形成了一层腐蚀产物膜，从而延缓腐蚀的进行。但当腐蚀发生在高强度湍流环境中时，如在流体介质流向突变处(三通或弯头等)，流体介质冲刷对 CO2局部腐蚀具有促进作用。流体对弯头内壁构成强烈的冲刷，除促进腐蚀反应的物质交换外，还将使得腐蚀产物膜在金属表面难以形成，导致裸露的金属表面直接与腐蚀性介质相接触，产生较高的腐蚀速率，促使局部腐蚀的发生3。凝结水出口管线上的弯头与直管连接的焊缝处，对弯头管壁的减薄穿孔也有一定的影响。当流体介质通过管线内壁的焊缝时，因焊缝余高的影响，凝结水介质的流态会发生变化，在焊缝处及附近产生更加剧烈的湍流扰动，加剧凝结水对弯头管壁的冲刷作用。(3)由于凝结水出口管线的材质为 20 号钢，其对 CO2腐蚀的耐蚀性十分有限4。因此，在酸性介质(碳酸)的腐蚀和冲刷作用下，即使添加了缓蚀剂，20 号钢也会发生严重的 CO2腐蚀。综上所述，制氢装置变换气分液罐底部出口管线在装置运行过程中，管线(弯头)内壁受到了管内酸性凝结水(碳酸)的腐蚀，在管线(弯头)内壁表面生成了腐蚀产物 FeCO3，这些腐蚀产物较为疏松，在管内凝结水介质的冲刷作用下，腐蚀产物层发生剥落，失去了保护作用，使得管壁基体露出了新鲜的活性表面，又促进了新的腐蚀，这样循环往复，管内介质的冲刷与腐蚀交互作用加速了管线弯头管壁的减薄，最后造成了管线弯头处的穿孔泄漏。4结论及建议4 1结论分液罐底部出口管线弯头和直管的材质均为20 号钢。管线弯头和直管的金相组织均为铁素体+珠光体。弯头与直管之间的焊缝熔合良好，未见焊接缺陷存在。弯头内壁的腐蚀产物主要是FeCO3。造成分液罐底部出口管线弯头穿孔泄漏的主要因素是管线内酸性凝结水(碳酸)的二氧化碳腐蚀和凝结水的冲刷作用;腐蚀和冲刷的交互作用加速了弯头管壁的减薄直至穿孔。4 2建议(1)在管线日常维护工作中，对容易减薄穿孔部位(如弯头、三通、变径等)加强监控，定期进行测厚，估算出管线冲蚀减薄率，当管线壁厚减薄达到一定程度时，及时进行修补并在管线能够进行工艺切出时，及时更换。(2)对管线材质进行升级，采用抗 CO2腐蚀性能好的材料，如 300 系列不锈钢等。参考文献 1黄身旺 制氢装置酸性水汽提塔腐蚀与处理措施J 石油化工腐蚀与防护，2019，36(4):33HUANG S W Corrosion case analysis and solution of acid waterstripper in hydrogen production unitJ Corrosion Protectionin Petrochemical Industry，2019，36(4):33 2张健豪，陈星，刘壮，等 油气田采出液输送管道 CO2腐蚀机理及影响因素研究进展J 新型工业化，2021，11(2):219ZHANG J H，CHEN X，LIU Z，et al Research progress on CO2corrosion mechanism and influencing factors of produced fluidpipeline in oil and gas fieldsJ The Journal of New Industrial-ization，2021，11(2):219 3崔钺，兰惠清，何仁洋，等 冲蚀作用下 CO2分压对集输气管线内腐蚀的影响规律 J 天然气工业，2013，31(2):128CUI Y，LAN H Q，HE R Y，et al Effect of CO2partial pressureon the corrosion in flow and transport lines under the erosionaction J Natural Gas Industry，2013，31(2):128 4廖兵兵20#钢管在 CO2气液两相层状流中的腐蚀行为研究 D 兰州:兰州理工大学，2015LIAO B B Corrosion behavior of 20#steel pipe in CO2gas-liq-uid two-phase layered flowD Lanzhou:Lanzhou University ofTechnology，2015(编辑张向阳)(下转第 60 页)65失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷6结束语己内酰胺三效蒸发再沸器水击振动问题一直妨碍着苯法生产己内酰胺的正常运行，对设备的可靠性运行带来极大风险。通过解析水击产生的原因，从工艺和设备两个方面提出改进方案，其中工艺改进方案可对设计阶段提供参考，设备改进方案可用于现有设备的改动，以减少水击造成的设备安全隐患。参考文献 1张朝环 热虹吸式再沸器的压力平衡设计J 化工进展，2015，34(A01):43ZHANG C H Pressure balance design for thermal siphon re-boilerJ Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34(A01):43 2胡景辉，张芳军，李雨，等 基于压力平衡下的立式热虹吸再沸器安装高度设计J 河南化工，2017，34(10):42HU J H，ZHANG F J，LI Y，et al Design of installation heightof vertical thermosiphon reboiler based on pressure balance J Henan Chemical Industry，2017，34(10):42 3任占胜 机械式蒸汽再压缩蒸发和三效蒸发的计算机模拟 J 化工生产与技术，2021，27(2):40REN Z S Computer simulation of MVR recompression evapora-tion and three-effect evaporationJ Chemical Production andTechnology，2021，27(2):40(编辑张向阳)Cause analysis of water hammer in triple effect evaporation reboiler ofcaprolactam unit and its preventive measuresSU Tongjun，GUO Xiaolong(SINOPEC Shijiazhuang Refining Chemical Company，Shijiazhuang 050099，China)Abstract:The mass fraction of caprolactam solution is concentrated from 30%to 90%by triple effect evaporation of caprolactamunit Flash and water hammer occur while high temperature and high pressure C17602 material enters the tube pass of low tem-perature and low pressure reboiler E17603 Leakage process and mechanism of triple effect reboiler caused by water hammer werediscussed;preventive measures were introduced，such as adjusting equipment height to change pressure difference，turning tripleeffect evaporation into separate evaporation，changing feeding method and adding feed distributor to avoid water hammer Thescheme of adding feed distributor has the advantages of small change and low investment，which can significantly reduce hiddendanger caused by water hammerKey words:caprolactam;triple effect evaporation;water hammer;leakage;measures(上接第 56 页)Corrosion perforation analysis of transformation gas separator tank outletpipeline in hydrogen manufacturing unit and its preventionWU Peiyi1，SUN Tao1，GAO Nan2(1 CNOOC Huizhou Petrochemicals Company Limited，Huizhou 516086，China;2 Shenyang Zkwell Corrosion Control Technology Co，Ltd，Shenyang 110000，China)Abstract:The elbow of outlet pipeline at the bottom of transformation gas separator tank in a hydrogen manufacturing unit wasperforated and leaked In order to find out the cause，comprehensive research was conducted on the failed pipeline by means ofcorrosion morphology analysis，metallographic structure analysis，corrosion surface micro-characteristics analysis and corrosionproducts analysis The studies indicated that the leakages come from carbon dioxide corrosion of pipeline sour water(carbonicacid)and fluid scouring of condensate water;the interaction of corrosion and scouring accelerates the thinning of elbow until per-foration Solutions were proposed such as strengthening monitoring and upgrading pipeline materialsKey words:hydrogen manufacturing，acid water，CO2corrosion，elbow，perforation06