1? 概況
??? 大慶石油化工公司煉油廠有48套生產(chǎn)裝置,年原油加工能力550萬噸。有燃料油、潤滑油和化肥三大生產(chǎn)系統(tǒng)?,F(xiàn)有列管式水冷器300多臺。多數(shù)材質(zhì)為碳鋼,所用的水均為重復利用的循環(huán)水。冷卻器是生產(chǎn)裝置的關鍵設備之一,日常大量的故障及事故搶修,約60%左右是由于冷換設備管束腐蝕泄漏所至。嚴重影響了生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定、滿負荷運行。另外,當冷卻水與溫度較高的介質(zhì)換熱時(水多數(shù)走管程 ),水易結(jié)水垢,形成銹垢層,增加了熱阻,使換熱效率嚴重下降,滿足不了生產(chǎn)的需要。所以說,合理選用冷換設備管束材料及控制方法,減少腐蝕,是我們科技人員一直關注的問題。
我廠自85年以來,針對冷換設備的腐蝕,在不同的腐蝕環(huán)境,采用不同的對策,經(jīng)過多年的努力,取得了良好的效果和明顯的經(jīng)濟效益。
2? 結(jié)垢及腐蝕原因
2.1? 管束內(nèi)壁結(jié)垢及腐蝕原因分析
??? 對于大多數(shù)冷卻器水走管程,因冷卻水中含有鈣、鎂離子和酸式碳酸鹽。當冷卻水流經(jīng)傳熱的金屬表面時就發(fā)生如下反應:
Mg+2+HCO3-+H2O—MgCO3↓+Mg(OH)2·3MgCO3+CO2
Ca+2+2HCO3__H2O+ CO2 +CaCO3↓
??? 當水中加有聚合磷酸鹽作緩蝕劑時存在如下反應:
??? 3Ca+2+2PO4-2__Ca(PO4)2↓
??? 此外溶解在冷卻水中的氧還會造成金屬腐蝕,形成鐵銹,反應如下:
2Fe+2H2O+O2—2Fe(OH)2? ↓
??? 反應的結(jié)果在傳熱面上逐漸結(jié)垢,同時伴隨鐵銹的生成。當冷卻器運行時,由于垢層的影響,換熱效果嚴重降低。有的個別管束使用不到一年換熱管內(nèi)已被堵死。
另外,由于水垢的存在,易造成管內(nèi)壁的垢下腐蝕,使管束的使用壽命下降。
水對金屬表面的腐蝕主要為電化學腐蝕,在腐蝕電池中陰極反應主要是氧的還原,陽極反應則是鐵的溶解。碳鋼在水中發(fā)生的腐蝕反應為:
陽極反應:2Fe--2Fe+2 + 4e
??? 陰極反應:O2 + 2H2O + 4e—4OH-
總反應:2Fe+2H2O+ O2--2Fe(OH)2↓
在腐蝕時,鐵生成氫氧化鐵從溶液中沉淀出來。因這種亞鐵化合物在含氧的水中是不穩(wěn)定的,它將進一步氧生成氫氧化鐵。
??? 2Fe(OH)2+2H2O+1/2 O2--2Fe(OH)3↓
之后,氫氧化鐵脫水,生成鐵銹 。
???? 2Fe(OH)3—FeOOH ↓+H2O
??? 所以說,金屬在垢下腐蝕由于本身電化學腐蝕存在自催化作用,將加速金屬的腐蝕。
2.2? 管束外壁油相的腐蝕原因
??? 冷換設備的管束外壁腐蝕是煉油生產(chǎn)裝置操作中常見的問題,特別是一次、二次加工裝置的常減壓、催化裂化、延遲焦化等的塔頂?shù)蜏夭课焕淠⒗鋮s系統(tǒng)的腐蝕較為嚴重。
??? 因冷卻器殼程介質(zhì)多數(shù)是油、汽,其操作溫度在100-160℃左右,從腐蝕形態(tài)及金相分析結(jié)果看均為電化學腐蝕,只是腐蝕介質(zhì)及操作條件不盡相同,其腐蝕特征有些差異,但腐蝕規(guī)律基本相同。一般氣相部位腐蝕輕微,液相部位腐蝕較重,尤以氣液兩相相變部位最為嚴重。腐蝕形態(tài)為全面腐蝕與局部腐蝕并存,以坑蝕穿孔較為突出,最大局部腐蝕速度有的高達每年6 毫米以上,平均每年在1.2-5毫米之間。
??? 因油相系統(tǒng)中不同程度的含有HCl,H2S, HCN,NH3,和H2O隨同輕組分一起揮發(fā),當以氣體狀態(tài)存在時,一般腐蝕很小,在冷凝換熱后溫度下降100℃以下,冷凝區(qū)域出現(xiàn)液體水以后,在冷卻器殼層便形成HCl- H2S- H2O與 HCN- NH3- H2O系統(tǒng)的腐蝕。對一次加工裝置嚴重的腐蝕破壞是由HCl和H2S相互促進,構(gòu)成的循環(huán)腐蝕,其反應為:
??? Fe+2HCl—FeCl2+H2↑
FeCl2+H2S—FeS↓+2HCl
Fe+ H2S—FeS+H2↑
FeS+2HCl—FeCl2+H2S
??? 對于二次加工裝置冷凝系統(tǒng)的腐蝕原因與一次加工裝置有區(qū)別,但在冷凝區(qū)域氣液兩相相變部位腐蝕程度是相同的。從受腐蝕管束外觀看,管束之間被疏松的腐蝕產(chǎn)物及污物堵死,金屬表面出現(xiàn)蝕坑。
3???? 解決管束腐蝕的方法
一般情況下,對于冷換設備的管束,采用高耐蝕合金管束是不可取的。因為,一是造價高,二是傳熱效果不好。所以我廠通過十幾年來,根據(jù)不同的防腐蝕環(huán)境,采用了不同的防腐方法,收到了很好的效果。情況如下:
3.1? 在解決管束內(nèi)壁腐蝕及結(jié)垢的情況
3.1.1解決管束內(nèi)壁腐蝕方面
從79年以來,我廠采用7910涂料進行管束內(nèi)壁防腐。7910涂料主要成份為環(huán)氧與氨基樹脂的合成物,該材料屬熱固化型由高分子組成。在耐弱酸強堿及水中氧化劑腐蝕特別好。防腐后的管束可以在殼程入口溫度小于160℃使用,基本解決了管束內(nèi)壁金屬表面腐蝕問題。
從79年到98年累計防腐約250臺,可以節(jié)約制造費約500萬元。
3.1.2解決管束結(jié)垢方面
??? 由于生產(chǎn)裝置的操作條件的不同,當水與溫度較高的介質(zhì)進行換熱時,在管束內(nèi)壁有相當一部分結(jié)水垢,使換熱設備效率下降,影響換熱設備的換熱效果。根據(jù)實際情況,采用了如下的措施:
??? (1)應用高壓水射流技術??? 生產(chǎn)裝置檢修的同時,采用高壓水射流技術對管束內(nèi)壁進行清洗銹垢層。該技術是適合機械清洗條件的設備。它具有清洗能力強,適用范圍廣。如噴嘴為70MPa以上時,水從特制的噴嘴以超聲速的速度射向被清洗物件,如同一把利刃將各類結(jié)垢物清除。它的清除質(zhì)量也是人工清洗無法比的。該技術應用在冷換設備上用來清除金屬表面水垢、鐵銹及部分結(jié)焦物是一個行之有效的方法。以1994年為例,當年共清洗154臺,計31491平方米,通過測算可以獲得644萬元的效益。
??? (2)采用化學清洗技術 ???冷換設備的管程多數(shù)走循環(huán)水。當與溫度較高的介質(zhì)換熱時,容易在管子內(nèi)壁結(jié)垢形成垢層,使冷換效果下降。有的冷卻器使用時又停不下來,如果強制停下處理損失很大的。我們采用了化學清洗的方法,避免了設備的停車。情況如下:
??? 因冷卻水大多數(shù)含有鈣、鎂離子和酸式碳酸鹽。當冷卻水流經(jīng)金屬表面時,有碳酸鹽的生成。另外,溶解在冷卻水中的氧還會造成金屬腐蝕,形成鐵銹。由于銹垢的產(chǎn)生,換熱效果下降。嚴重時不得不在殼體外噴淋冷卻水,結(jié)垢嚴重時會堵塞管子,使換熱效果失去作用。
??? 通過試驗篩選,硝酸是適用于酸洗水垢的溶劑,因硝酸與水垢(碳酸鈣、碳酸鎂)發(fā)生如下反應:
2HNO3 + CaCO3 — Ca(NO3)2+ CO2 ↑+H2O
2HNO3 + MgCO3 — Mg(NO3)2+ CO2 ↑+H2O
??? 因為它溶垢迅速,并且溶解所形成的硝酸鹽在水中溶解度大,操作簡便等優(yōu)點。因硝酸溶液本身對金屬有強烈的腐蝕作用,在酸洗過程中必須加入一定數(shù)量的緩蝕劑及其它助劑,用來保護金屬表面。
??? 通過清洗,達到時生產(chǎn)需要。用該方法解決了部分冷換設備不能停車清洗的要求。節(jié)約人力、物力、省時間、清洗質(zhì)量好,提高工效十幾倍。如90年清洗11臺冷卻器,計1350平方米,可獲直接效益14.58萬元。
??? (3)采用在線清洗技術?? 為了必免冷換設備管束使用中不結(jié)垢或?qū)Y(jié)垢的管束清垢。采用了人工機械、高壓水射流技術及化學清洗技術均取得較好的效果。但上述方法只是消極的手段,沒有從根本上解決問題。
??? 對于這個問題,93年采用長嶺煉油廠設備研究所研制的“冷換設備在線自動清洗技術”,該方法是在管束的每根單管內(nèi)插入一定形狀的內(nèi)插件,通過管內(nèi)水的流動,可以避免銹垢的形成,收到了很好的效果。
??? 在線自動清洗技術(也叫彈簧自動在線清洗)是一種機械的方法。其核心是以螺旋形彈簧和固體元件組合成一個簡單的機械系統(tǒng),安裝于換熱器管內(nèi)。在流體的作用下,產(chǎn)生連續(xù)不斷的徑向、軸向震動,擾動流體在管內(nèi)壁部位的層流底層,促進湍流程度,有效地抑制了污垢的沉積,從而減少管內(nèi)的熱阻,增加了強化作用。另外,螺旋彈簧振動與管壁反復磨擦,也使污垢得到清除。
??? 由此可見,在線自動清洗技術最大的特點是防垢、除垢,并且還能強化傳熱。從清洗垢角度講,該方法同化學清洗及其它機械方法相比,不需要外加動力設備,不需停工、停產(chǎn),在生產(chǎn)運行中就能發(fā)揮作用,能使設備在運行中長久、穩(wěn)定,保持最佳傳熱狀態(tài)。