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“整体热浸镀铝换热器管束”在汽提装置中试用报告

整体热浸镀铝换热器可彻底解决高硫油的腐蚀问题

从2001年10月1日到2002年7月10日,在鞍山炼油厂酸性水汽提装置试用二台ф500×6000mm“整体热浸镀铝换热器管束”,经过9个多月生产工况考验,抽出样机实际检测结果表明,“整体热浸镀铝换热器管束”在含硫污水(通称酸性水)较苛刻的条件下,有较好的耐腐蚀性能,经腐蚀对比推算,其使用寿命比 “涂刷环氧玻璃磷片涂料管束” 的要多3年,比“普通碳钢管束”使用寿命要多4~5年。并且,经过一个使用周期后,镀铝管束内外基本无结垢和堵塞,不需进行清洗和除垢。


一.酸性水汽提装置中腐蚀介质,特征和原因

1.腐蚀介质

炼油厂各工艺装置排出的酸性水都需经过汽提装置排除水流中的污染物质,进入酸性汽提装置的酸性水中一般有NH3、CO2、硫醇、酸类、氰化物、有机盐、无机盐,游离的和溶解的油类。其腐蚀介质主要是H2S、CO2、NH3和CN-等,以及由它们之间反应生成的NH4HS和NH4HCO3。

酸性水的水质随原油中的硫、氮、盐含量和炼油厂加工装置的不同而有所变化,鞍山炼油厂污水成分如表1所示:

2.腐蚀部位和特征

酸性水汽提装置腐蚀遍布整个装置,主要部位是塔顶和回流系统,其腐蚀特征是:⑴均匀腐蚀和局部穿孔。⑵酸性中H2S、CN—等引起的应力腐蚀破裂和氢鼓泡。

酸性水中由于各种原因还可能在不同部位生成NH4HS、NH4HCO3或氨基甲酸铵结晶,造成设备堵塞,一般塔顶部位堵塞多是由于NH4HS等盐类,多硫化物以及腐蚀物的沉积造成的,塔底堵塞主要是由于碳酸盐沉积。

(表1)污水成分(炼油厂化验室提供的数据)(ppm)

时间\项目(ppm) 17/2 22/2 23/2 24/2 25/2 3/3 6/3 7/3 8/3 15/3 平均
油含量 135 165 180 32 186 450 520 350 410 410 247.75
硫化物 2928.7 2928.7 1695.6 1317.7 1233.2 7082.9 2775.0 2925.6 3080.9 3082.9 905.12
氨氮 120.8 118.8 133.2 133.1 133.1 181.1 174.2 167.4 181.1 160.5 152.2
PH 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 10.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.6
COD 1490.3 1433.7 1490.3 1094.3 1327.0 547.10 7546.0 6474.0 6414.0 6980.0 3479.65
452.9 562.0 486.5 486.5 652.0 443.8 625.6 552.9 552.9 443.8 552.82

3. 主要因素

影响酸性水腐蚀主要因素H2S的浓度和流速。H2S或NH4HS在CN—以及CO2等存在下,是造成腐蚀加重的主要原因,在此条件下,H2S+Fe→FeS+2[H]+导致金属材料氢鼓泡开裂。

  

FeS+6CN—→Fe(CN6)-4+S-2反应明显促进金属材料腐蚀。

H2S与NH3反应生成NH4HS晶体,不仅依然是腐蚀性较强的介质,而且当NH4HS浓度高、流体流速大时,即使较为耐蚀的材料也会发生很高的腐蚀率。


二.鞍炼汽提装置中,换热设备腐蚀破坏情况

鞍山炼油厂汽提装置由于酸性水中含有大量腐蚀介质,因此设备腐蚀破坏是比较严重的,尤其是塔顶侧线冷凝器、下部重沸器等换热设备腐蚀破坏最为严重。在过去未采取防腐措施的情况下,工况环境恶劣时,个别碳钢换热器管束使用不到四个月就出现破裂事故,有的管束在不到一个大修周期时间里就被冲刷穿孔,有的管束在较短时间内被结晶物沉积堵塞,因此,不仅严重的影响了正常生产,而且造成了环境污染和增加了维修费用。为提高换热设备的防腐性能,延长其使用寿命,在2001年大修后,炼油厂决定在该系统内同时试用“整体热浸镀铝换热器管束”和“涂刷环氧玻璃磷片涂料管束”,这两种管束都经过了9个多月的工况试验,并在2002年7月28日同时由抚顺石化设备所进行了现场腐蚀情况检测,检测结果证明这两种防腐蚀管束都比普通碳钢管束的防腐性能有显著提高,同时,经过比较,“整体热浸镀铝换热器管束”防腐性能又大大优于“涂料管束”。在今后使用周期中“镀铝管束”的镀层将继续发挥它的抗腐蚀性能,而“涂料管束”涂层老化脱落已尽,不再具有防腐性能。


三.“管束”腐蚀检测结果及对比

2002年7月28日,抚顺石化设备研究所同时对“整体热浸镀铝管束”“涂刷环氧玻璃磷片管束”“普通碳钢管束”进行了腐蚀检测。这些管束均安装在塔顶部位,对H2S和NH3进行冷却,其工况环境基本相同,但通过检测发现不同的管束在相同时间里,腐蚀状况显著不同,这说明“整体热浸镀铝换热器管束”比未防腐处理管束和涂料防腐处理管束有明显优势。三种管束腐蚀状况检测结果列于表2。

检测项目\管束种类 热浸镀铝管束 涂刷磷片管束涂刷磷片管束
涂刷磷片管束
普通碳钢管束
表 面 现 象 进料口处局部铝层冲掉,露出合金层。其余部分为纯铝层。无腐蚀、堵塞,绝大部分为银白色。 所有涂层均已脱落,露出基体,无腐蚀,有少许堵塞,管束表面呈黑色。 全面出现腐蚀,堵塞严重,表面呈铁锈色,严重处有腐蚀起皮。
镀层和基体表层
腐蚀深度
换热管外壁:进料口处铝层冲掉露出合金层,合金层厚度仍≥80μm。其余部位,铝层仍存在,厚度平均为60μm局部腐蚀量≤15μm。换热管内壁:铝层厚度≥70μm。管板:铝层厚度≥70μm。 换热管内外壁:涂层全部脱落,露出各层基体,涂层厚度已为零。管板处:涂层老化、起皮、起泡,内部含水溶液。 平均基体腐蚀深度约为0.25mm。最大深度为0.5mm。
附 着 力 铝层附着力没有变化,捶击、刀割无起皮、剥落现象。 剩余涂层已无附着力,轻轻用手即可剥下。
焊口及缝隙腐蚀情况 焊口和缝隙仍由纯铝覆盖和钎钉密闭,无任何腐蚀和开裂。 焊口和缝隙处已不存在涂层,目前未见腐蚀和开裂。 焊口和缝隙处腐蚀明显,缝隙处已出现腐蚀脱落起皮现象,无裂纹。

应该说明:在本使用周期内,鞍山炼油厂由于原油品质较好,工艺处理较先进,所以污水中所含腐蚀介质平均值较低,H2S平均含量2905.12<4000ppm,氨—氮平均含量152.2<1500 ppm,CN-含量也较低,所以汽提装置处于轻微腐蚀状态下,在这种情况下,应力开裂,氢鼓泡和腐蚀穿孔都没有产生,但是,如果污水中腐蚀质量增加,或者炼高硫高酸值原油时,这些腐蚀情况,就将在“普通碳钢管束”和“涂料管束”上出现,那时“整体热浸镀铝管束”的优越性将更加突出。


四.使用寿命推算

根据推测,在相同工况环境下,碳钢管束将能继续使用一年,届时即使不出现裂纹和穿孔,其均匀腐蚀也会使管壁平均减薄至原来后度一半以上,同时由于腐蚀造成管壁表面变粗,结晶物堵塞现象将更为严重,影响其换热效果,所以“普通碳钢管束”使用寿命最多2年。

“涂刷环氧磷片管束”目前虽然没有明显腐蚀,但其表面涂刷的涂层已全部冲蚀,管束已露出金属材料基体,而“涂层管束”所以在初始阶段具有一定防腐蚀作用,完全依赖于涂层对腐蚀介质的机械隔绝,涂层冲蚀掉以后,这种隔绝效果已丧失,今后材料基体将裸露在污水环境之中,因此,可以推断,“涂料管束”最多还可以继续使用2年,总的使用寿命在3年左右。(根据使用经验,一般第二个年度绝大多数“涂料管束”腐蚀破坏失效)。

“整体热浸镀铝管束”镀铝后,未使用之前铝层厚度为70—80μm,合金层厚度为100—150μm。使用一个周期后样机进料口处铝层已被冲蚀,只剩下合金层,所以样机今后的使用寿命,主要取决于合金层的耐冲蚀时间,根据测定铝层表面显微硬度为320HM(kg/mm2),而在60μm深度往里的显微硬度是918—927HM(kg/mm2),超过900HM(kg/mm2)硬度的合金层厚度约为40μm,这部分的硬度是表面铝层的3倍以上。根据合金层耐腐蚀实验,其耐H2S的腐蚀性能是碳钢的20倍,其耐NH3腐蚀的性能是碳钢的70倍,其耐CO2的腐蚀性能是碳钢的20倍以上,进料口铝层被冲蚀是腐蚀和流体冲击双重作用的结果,尤其是腐蚀后金属表面疏松显微硬度进一步下降,造成冲蚀速度过快,而合金层显微硬度高,结构致密,耐腐蚀性能好,使之更为耐冲蚀,估算在进料口处,即使已经没有铝层,仅合金层还可保证5年左右不会被冲蚀穿孔或腐蚀减薄,因此,“热浸镀铝管束”的最终使用寿命应该不小于6年。

经以上分析,可以看出“整体热浸镀铝管束”在耐均匀腐蚀和冲击方面,将比普通碳钢管束延长使用寿命4—5年,比“涂料管束”延长使用寿命3年以上。


五.经济效益对比

1.与316L合金钢管束相比:镀铝管束耐腐蚀性相当,但价格要远比316L低,目前市场上316L管束价格每吨为81000元左右,而“镀铝碳钢管束”每吨仅为23000元左右,所以,使用镀铝管束可以每吨节约58000元。平均每台管束可降低费用20余万元(按每台管束平均重量4吨测算)。

2.与涂刷环氧玻璃磷片管束相比:镀铝管束使用寿命比“涂层管束”要长1—1.5倍,涂层管束每吨价格约为21000元,镀铝管束每吨为23000元,根据性能价格比,使用镀铝管束比使用涂层管束降低费用为每吨19000元—27500元。平均每台管束可降低费用7.6万—11.0万元。

3.与镍磷镀管束相比,镍磷镀由于是化学镀,存在附着力低不耐高温,脱落后基体腐蚀更快等缺陷,所以基本只能使用2年就腐蚀报废,镀铝管束是镍磷镀管束使用寿命的3倍,镍磷镀管束每吨为25500元,根据性能价格比,使用镀铝管束比使用镍磷镀管束每吨降低费用5.2万元,平均每台管束可降低使用费用20万元。

4.与普通碳钢管束相比:镀铝管束使用寿命是碳钢管束的3倍以上,碳钢管束每吨12000元,按性能价格比使用镀铝管束每吨可降低费用13000元,平均每台管束可降低费用5.2万元。

需说明的是:在经济效益对比中,未包括更换设备,停产等带来的浪费和损失,如果包括这两部分,使用镀铝管束所创造的经济效益将更高。


六.结论和建议

通过这次在鞍山炼油厂汽提装置试用“整体热浸镀铝换热器管束”可以得出如下结论:

1. 整体热浸镀铝换热器管束具有良好的耐均匀腐蚀、耐应力、间隙腐蚀、耐氢鼓泡等特点,试验结果表明是普通碳钢制品寿命的3倍以上,是“涂层管束”使用寿命的2倍以上,是“镍磷镀管束”使用寿命的3倍以上,其使用寿命与316L钢管束相当。

2. 由于管束表面镀有铝层和合金层,表面光滑,显微硬度较高,所以镀铝管束耐冲刷,不易结垢和堵塞。

3. 镀铝管束性能价格比高,广泛推广使用可为炼油厂代来巨大的经济效益,可更好的保护环境,避免人身和设备安全事故,减少设备事故所造成的停产损失。

4. 由于试用的侧线换热器管束,处在高流速,结晶体含量大的环境下,镀铝管束在入料口处,部分铝层被冲蚀掉,仅剩合金层,这将多少影响以后的防腐、防垢、防腊效果,因此,根据使用单位建议,我们将进一步改善工艺过程,提高镀层耐冲蚀性能,使其可以普遍适用炼油厂内各种腐蚀工况环境。

根据以上使用效果,可以预见在炼油厂广泛存在的含硫、含酸、高温、高压工况环境中,镀铝管束都可实现防腐蚀,延长使用寿命,降低投入资金的良好效果,应该广泛宣传、大力推广,尽快使这种设备应用到生产过程之中,取得更大的经济和社会效益。

鞍山市银马热熔浸铝有限公司

抚顺市石化设备研究所

中国石油天然气股份有限公司辽阳石化鞍山炼油厂

2002年8月5日


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