新型耐蚀空冷器的研制与应用

赵达生

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司,河南洛阳 471003)

新型耐蚀空冷器的研制与应用

赵达生

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司,河南洛阳 471003)

介绍了一种用于石油化工和电力行业的新型耐蚀空气冷却器。通过使用耐腐蚀的钛合金复合板制造空冷器管箱和以普通低碳钢为基管、管内为钛合金的复合管制造管束,以提高空冷式换热器的抗腐蚀性能。与碳钢空冷器相比,大大提高了空冷器的使用寿命,延长了设备检修周期,可节约生产检修费用;与不锈钢空冷器相比,大大降低了设备的投资。可广泛应用于石油、化工、电力等行业的空气冷却系统。

国内外炼油厂空气冷却器 (以下简称空冷器)用量非常大,在常减压塔顶等部位,由于塔顶油气中常含有 HCl,H2S和 H2O等腐蚀性介质,在冷凝中遇水形成非常强的腐蚀环境,即形成:HCl-H2S -H2O腐蚀体系,使得塔顶部分以及塔顶换热器被强烈腐蚀,在加工高硫原油时显得尤为突出。调查结果显示:国内某炼油厂在加工高硫原油时,常压塔顶空冷器使用 10个月就腐蚀穿孔更换新管束,甚至更短。目前国内加工进口含硫原油的比重越来越大 (主要是中东原油),该问题越显突出。

国内外针对这一问题采用了各种防腐蚀措施,就国内而言,主要以工艺防腐蚀“一脱三注”为主。空冷器使用碳钢材料制造,也有少数采用不锈钢整体制造(采用不锈钢容易发生应力腐蚀开裂),因造价等原因一般在该部位整体不用耐蚀高级材料。

针对上述问题,在大量调研的基础上,经中国石化集团公司批准正式立项,开展了耐蚀空冷器的开发研究。

1 常压塔顶冷凝系统的腐蚀

常压塔顶腐蚀是由于塔顶油气中 HCl和 H2S遇水冷凝形成腐蚀环境造成的[1]。由于塔顶冷凝系统中的 HCl和 H2S等酸性气体及水冷凝析出,形成酸性环境,在这种环境中奥氏体不锈钢易产生应力腐蚀开裂,而 Cr13系列马氏体不锈钢抗点蚀能力差,因此,目前国内塔顶空冷器常用碳钢制造,同时附加其他工艺防腐蚀措施。

碳钢空冷器的腐蚀特征是:腐蚀多为点蚀,并存在一个点蚀严重的部位。当塔顶介质出口温度约为 100℃时,上述腐蚀部位位于塔顶空冷器换热管入口端 1/3管长范围内。而点蚀严重的部位及腐蚀速率受原油性质、操作条件、防护措施等的影响。一般来说,原油含硫高,腐蚀速率大,腐蚀较严重;含硫较低的原油在工艺防腐蚀“一脱三注”完善的情况下,腐蚀基本可以得到有效的控制。塔顶出口温度较高时,碳钢空冷器点蚀严重部位向下移动;塔顶出口温度较低时可能导致塔顶塔盘及其他塔内件严重腐蚀和开裂[1]。

2 现有的技术措施

2.1 空冷器用低碳钢材料制造

采用“一脱三注”工艺防腐蚀,而塔体、塔顶换热空冷器用一般碳钢材料制造。“一脱三注”是指脱盐、注氨、注水和注“缓蚀剂”。

2.2 加强设备防腐蚀

由于种种原因单靠工艺防腐蚀并不能达到理想的防腐蚀效果,塔顶腐蚀时常发生,因此在加强工艺防腐蚀的基础上,对重点部位、重点设备可采取以下防腐蚀措施。

2.2.1 涂层和衬里

有些炼油厂对常压塔顶空冷器换热管内壁采用有机防腐蚀涂层进行涂装,来达到防腐蚀的效果。使用的涂料为换热器专用涂料,如:TP901等。

2.2.2 非晶态化学Ni-P镀

这是在具有催化性的金属表面上进行的自催氧化还原反应,将活化后的金属放入到镀液中,在合适的温度和 pH值条件下,镀液中的 Ni2+和H2PO-2在金属表面上发生氧化还原反应,沉积形成一层均匀牢固的金属镀层。

2.2.3 设备选用整体耐蚀合金材料

在工艺防腐蚀的基础上,设备整体采用高级耐蚀合金材料 (双相不锈钢、蒙乃尔合金、钛合金等)。

在此工况下各种材料出现的腐蚀类型见表 1。

表1 各种材料出现的腐蚀类型

3 采取的新措施

上述技术措施中,都不同程度地存在一些难以克服的缺点:

(1)工艺防腐蚀措施“一脱三注”:由于原油性质变化,虽采用“一脱三注”,但原油无法完全脱除原油中的有机氯及部分无机盐,再加上存在 H2S,达不到塔顶对 Cl-和 H2S含量的应控指标,促使该部位产生腐蚀,造成塔顶空冷器的腐蚀穿孔;

(2)有机涂层技术:由于施工难度较大,往往引起鼓泡及存在漏涂现象,有机涂层对空冷器的传热影响也较大,防腐蚀效果不理想;

(3)镍 -磷镀层:工程化施工质量较难控制,易产生漏镀现象,反而会引起空冷器管束的加速腐蚀穿孔;

(4)采用高级耐蚀合金整体制造空冷器。价格昂贵,炼油厂难以承受。

3.1 采用钛合金作为耐蚀材料

防腐蚀材料的选用至关重要,其直接影响到空冷器的使用效果,且关系到否能满足在此部位耐蚀的使用要求。

通过大量研究和实验,使用了钛合金 TA2作为空冷器的主要防腐蚀金属材料。

3.1.1 钛及钛合金的主要特点

(1)储量丰富,比重较轻;

(2)具有优良的耐蚀性能:与不锈钢相比,其纯态区域宽、容易钝化;其氧化膜抗氯离子破坏能力强。工业纯钛和某些钛合金对海水、海洋大气、湿氯气氯化物、次氯酸、硫化物、硫盐酸、大多数氧化性的酸和有机化合物都是耐蚀的;

(3)具有良好的综合机械性能;

(4)具有良好的耐高温及低温性能;

(5)工业纯钛和大多数钛合金具有良好的铸造、锻造、焊接、切削和压力加工等工艺性能[2];

(6)可取得良好的经济效果:虽然钛材的价格较高,但由于它的比重轻、强度高,特别是由于它具有优良的耐蚀性能,可延长设备的使用寿命,减少维护和检修费用和停产损失;

(7)使用 TA2作为制造空冷器的主要耐蚀合金材料。这种钛合金的耐蚀性能和综合机械性能适中,与其他钛合金不同之处是它含有较多量的氧、氮、碳及多种其它元素 (如:铁、硅等),其实质上是一种低合金含量的钛合金。与化学纯钛相比,由于含有较多的杂质元素后其强度大大提高,它的力学性能和化学性能与不锈钢相似;强度高、但塑性好、易于加工成型,冲压、焊接、可切削性等加工性能良好;但耐热性较差,使用温度不宜太高;主要应用于工作温度 350℃以下、受力不大、但要求高塑性的结构件和耐蚀构件。例如:耐蚀阀门、泵及管道、炼油厂化工厂的换热器、冷却器等设备中。

3.1.2 腐蚀实验

根据空冷器现场使用的实际情况,在实验室模拟现场使用的工况条件下,对 3种材质:普通低碳钢、18-8不锈钢、钛作对比性的腐蚀实验,结果见表2。

表2 腐蚀速率对比实验结果 mm/a

在某炼油厂塔顶部位进行了挂片实验,结果显示:TA2在此部位具有很强的耐蚀性,在使用一个周期内,几乎没有任何腐蚀现象发生。

常压塔顶空冷器的一般工况条件见表 3。

表3 技术特性(工况条件)

某炼油厂常、减压塔顶污水检测结果见表 4。

3.2 管箱的防腐蚀措施

空冷器管箱的设计非常重要,除了满足设计规范对空冷器管箱的一般要求以外,且必须满足管箱与管束相连接的一些特殊要求。此外,还必须保证在实际加工制造中的可实施性,即加工容易实现、加工工艺简单、生产成本低等要求。

常顶空冷器由于种种原因,腐蚀较严重的部位往往发生在管束的入口处以及管束与管板的连接处。

为防止上述部位发生腐蚀,管板采用复合管板 (16MnR+TA2),管束与管板的连接采用强度胀加密封焊的连接方式,这样可以有效隔断腐蚀性介质与碳钢管板的直接接触,彻底避免腐蚀发生。

考虑到该项目中管板与翅片管管束连接时加工的特殊需要,采用了可卸盖板式管箱结构,见图1[3,4]。

表4 常减压装置塔顶冷凝冷却系统(2001年)

图1 可卸盖板式管箱结构

3.3 管束的防腐蚀措施

管束采用复合管技术进行制造:制造翅片管管束的管材,采用复合管技术,整个管内部为一层0.5 mm厚的钛合金 TA2,管外部为低碳钢无缝管,外部换热翅片采用双金属轧制翅片管 (铝合金轧制翅片管)。所用管材及翅片管见图 2。

4 现场应用效果与结论

经过多方的努力,先后克服了复合管的研制、腐蚀实验、管箱的加工、管束的制造等一系列困难,于 2005年 5月完成了首台工业应用的“耐蚀空冷器”制造,并应用于镇海炼油化工股份有限公司炼油四部Ⅰ套常减压常压塔顶,经过多年的连续运行,效果良好(见图 3)。

图2 管材及翅片管

图 3 现场使用情况

通过多年的连续实际运行,该种空冷器使用效果非常理想,采用该项技术不仅可以解决常压塔顶空冷器腐蚀的问题,而且经济效益和社会效益非常显著。

1 任忍重,赵达生.常减压塔顶冷凝系统的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护,1998,15(4):9-11

2 长春第一汽车制造厂和长春汽车.机械工程材料手册[M].北京:机械工业出版社,1991.155-167

3 GB/T5386-94空冷式换热器[S]

4 GB150-1999钢制压力容器[S]

Abstract:The air cooler discussed is a new corrosion-resistant air cooler installed in petrochemical and electric power industries. The headers are fabricated with titanium alloy clad steel plates and the tube bundles are manufactured with clad tubeswhose outside is low carbon steel and whose inside is titanium alloy to improve corrosion-resistance performance of the air cooler.As compared with carbon steel air cooler,both run length and maintenance cycle of the cooler are extended,saving the costs for the production maintenance.As compared with stainless steel air cooler,the inves tment cost for the equipments is reduced,and it can be widely used in air cooling system of the petrochemical and electric power industries.

Keywords:tower overhead,corrosion resistance,air cooler

A New Corrosion-resistant A ir Cooler

Zhao Dasheng
SINOPEC Luoyang Petrochem ical Engineering Corporation(Luoyang,Henan471003)

TE985.9

A

1007-015X(2010)03-0009-04

2010-01-13;

2010-03-06。

赵达生,(1961-),1982年 8月毕业于河南科技大学机械工程系,主要从事石化设备防护,设备研究,以及无损检测工作。

关键题词: 塔顶 耐蚀 空冷器