焦炉煤气管道腐蚀原因与预防措施的探讨

左祖华

（武钢集团鄂钢公司能源动力厂，湖北鄂州 436002）

焦炉煤气管道腐蚀原因与预防措施的探讨

左祖华

（武钢集团鄂钢公司能源动力厂，湖北鄂州 436002）

焦炉煤气管道通常会出现腐蚀与堵塞情况，从化学、电化学、氧腐蚀等方面分析了焦炉煤气管道内壁的腐蚀原因，探讨了减缓焦炉煤气管道腐蚀的措施。

焦炉煤气管道；腐蚀原因；防腐措施

1 引言

鄂钢使用焦炉煤气管道是从20世纪70年代开始的。1975年后随着4座32孔2.8 m下喷复热式焦炉投产运行，企业内部的锅炉、炼钢、炼铁、烧结、轧钢等生产工序相继使用了焦炉煤气，焦炉煤气管道也遍布了全厂。随着企业的发展，从2003年开始，鄂钢在原址上进行了较大规模的技术改造，经过几年的努力，将年产100万t钢的生产能力扩展到年产500万t钢的规模，相应的焦炉煤气管网也几乎重新设计和配套改造，为了使新一轮的焦炉煤气管道更有防腐性能，我们对已使用20年以上的老区域的焦炉煤气管道的腐蚀、堵塞状况进行了认真的观察和分析，探讨其腐蚀的原因，汲取其教训，进一步采取相应的防腐措施，以延长新一轮焦炉煤气管道的使用寿命。

2 焦炉煤气管道的腐蚀和堵塞状况

2.1 焦炉煤气净化系统管道腐蚀、堵塞状况

原焦化系统采用的煤气净化工艺是：荒煤气—→ 汽液分离器—→ 直管初冷器—→煤气风机—→ 电捕焦油器—→木格洗萘塔（水洗萘）—→木格洗氨塔—→木格洗苯塔—→净煤气

观察管道的堵塞情况：从汽液分离器后至洗苯塔前的焦炉煤气管道内存积有少量的萘、焦油渣等固体沉积物，其体积不超过整个管道截面积的2%～3%。观察其腐蚀情况：虽然老焦炉煤气管道系统已使用20～25年以上，但管道内壁腐蚀比较均匀，管道底部出现点蚀凹坑不多，腐蚀程度不是很严重。腐蚀和堵塞情况最好的部位是煤气风机后至木格洗奈塔前的这段管道。这段管道的运行工况是：焦炉煤气经煤气风机加压，煤气被压缩升温10～15℃，在这段管道内煤气温度不易达到露点温度，冷凝水不易结露析出，萘也不易结晶沉积在管道底部。

2.2 接近用户的焦炉煤气主管的堵塞、腐蚀情况

接近锅炉房、轧钢等用户的焦炉煤气主管内存积有大量的萘、甲苯不溶物等固体沉积物，沉积物的体积一般占管道截面积的10%以上，有的达到30%左右，管道腐蚀也很严重，与固定沉积物相接触的管壁，产生很多凹坑，有的部位接近蚀穿，有的部位已经蚀穿。从管道的断面进行观察，管道的下部腐蚀状况比上部腐蚀状况严重。

2.3 被腐蚀的焦炉煤气管道内存在一定量的硫化亚铁（FeS）

2004年10月5日晚8：30左右，鄂钢煤气防护人员按规程操作锅炉房附近第二混合站平台上Ø600眼镜阀，当松开眼镜阀螺栓时，地面指挥人员首先听到煤气外窜的声音，接着看到离眼镜阀1.5 m左右的部位出现一道细小火星，紧接着出现煤气燃烧，产生大量的火焰，造成烧伤一人。事后分析：焦炉煤气夹带着含有FeS的细小固体颗粒吹向1.5 m外的裸露过热蒸汽管道（实测管壁温度330℃左右）上，首先引发了分散的FeS细小颗粒在过热蒸汽管壁上着火，在黑暗的夜幕下，呈现在地面指挥人员眼前的是一道似化纤衣服放静电的细小火星，然后达到焦炉煤气着火温度（500℃）时，将焦炉煤气迅速点燃，造成煤气着火伤人事故。

2009年8月21日，架空在管架上的已报废割断的Ø800焦炉煤气管道出现了冒烟现象，相关人员迅速赶往现场采取措施，并进行了原因分析。经分析，是由于报废的焦炉煤气管道中存积有大量的萘、FeS、Fe2O3、甲苯不溶物等杂物，由于气温偏高，固体物中水份蒸发干燥，FeS与空气中的氧发生放热反应，当温度集聚到FeS的自燃温度时，FeS发生自燃，也说明了焦炉煤气管道内存在有一定量的FeS固体物质。

3 焦炉煤气管道腐蚀原因探讨

焦炉煤气管道腐蚀的部位可以是内壁也可以是外壁，由于架空煤气管道的外壁是防腐漆覆盖层防腐（可以定期进行涂漆防腐），在大气（环境）腐蚀作用下（大气中含有较多的SO2等腐蚀气体外），管壁厚度减薄是均匀的。所以，从管道受到穿孔破坏的观点来看，管道外壁腐蚀的危害性不大。在大气环境下，焦炉煤气管道的腐蚀主要来自内壁腐蚀。下面我们探讨焦炉煤管道内壁腐蚀的原因。

3.1 煤气中的H2S、HCN、CO2等腐蚀气体与水共存时，对焦炉煤气管道产生化学腐蚀

受焦炉煤气净化条件的限制或运行管理的疏漏，煤气中的H2S、HCN、CO2、O2、萘、甲苯不溶物、碳素等杂质或多或少地残存在煤气中。当环境温度低于煤气露点时，将导致煤气管壁结露，严重时会产生冷凝水，在煤气管道下部存积。煤气中的H2S、HCN、CO2等腐蚀气体就会与冷凝水共存，生成氢硫酸、氢氰酸、碳酸，对焦炉煤气管道产生酸的化学腐蚀[1]。

3.2 焦炉煤气管道发生电化学腐蚀，并生成FeS固体物质，是焦炉煤气管道腐蚀的主要原因

（1）电化学腐蚀机理

腐蚀是物质与环境发生反应，从而造成物质破坏或性质变化。更确切地说，腐蚀是金属在特定环境下，由于化学或电化学反应而受到的破坏。在冷凝水存在的区域发生的腐蚀主要是电化学腐蚀[2]。在焦炉煤气管道内，存在有一定的冷凝水，所以焦炉煤气管道内壁发生的腐蚀主要是电化学腐蚀。也就是说，由于焦炉煤气中的腐蚀介质是离子导体，除了化学反应外，还有电子流动，从而产生从高电势到低电势的电流。电化学腐蚀机理如图1。

图1 金属的电化学腐蚀图

从图1可看出，电化学腐蚀回路由4部分构成：阳极、阴极、电解质溶液和外电路。电解质溶液为酸性或中性水溶液，电子从阳极金属A经由外电路流向阴极金属B，氢离子在阴极吸收电子形成氢气，阳极金属失去电子生成金属离子，直接造成金属破坏。

（2）焦炉煤气管道内壁发生电化学腐蚀的化学反应式

焦炉煤气中的H2S、HCN、CO2等腐蚀气体与冷凝水共存生成氢硫酸、氢氰酸和碳酸。氢硫酸、氢氰酸、碳酸在水溶液中发生电离，形成电解质（电介质溶液）。焦炉煤气管道内壁表面与电介质结合的界面上就会发生电化学腐蚀，生成FeS而沉积于管壁上。其反应式如下：

H2S⇌H++HS

HS-⇌H++S2-

H2CO3⇌HCO3-+H+

HCO3-⇌CO3-2+H+

HCN⇌H++CN-

阳极：Fe→Fe2++2e

阴极：2H++2e→H2↑

Fe2++S2-→FeS↓

硫化亚铁（FeS）是焦炉煤气管道内壁发生电化学腐蚀的产物。

3.3 焦炉煤气中的氧也会对管道内壁产生一定的氧腐蚀

焦炉煤气中含有少量的氧（一般＜1%），与管道内壁接触时会发生氧化反应，生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁继续与煤气中的氧发生反应，生成氢氧化铁。从而造成管壁的腐蚀。

阳极：Fe→Fe2++2e

阴极：O2+H2O+2e→2OH

Fe+O2+H2O→Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

3.4 焦炉煤气中的萘结晶析出以及甲苯不溶物等固体物质沉积于管道内导致煤气管道堵塞，冷凝水不易排出，是造成焦炉煤气管道产生化学和电化学腐蚀加剧的重要条件。

焦炉煤气中残存有少量的萘、焦油、甲苯不溶物，管道内的焦炉煤气随环境温度变化，或多或少会有冷凝水、萘、焦油渣、甲苯不溶物等物质析出并存积在管道底部，这些固体物质会影响管道内的冷凝水排出，导致焦炉煤气中的H2S、HCN、CO2与水共存生成氢硫酸、氢氰酸和碳酸，继而发生化学和电化学腐蚀。从实际观察焦炉煤气管道腐蚀与堵塞的状况，二者的相关性很强，堵塞严重的焦炉煤气管道腐蚀的程度就严重，腐蚀的面积也较大；FeS也越高，暴露在大气中，越易发生自燃。相反，焦化煤气风机至洗萘塔之前的焦炉煤气管道，固体沉积物很少，腐蚀程度就很轻。

3.5 焦炉煤气在管道内的流速也会对腐蚀速率产生一定的影响

接近锅炉等用户的焦炉煤气主管，因距煤气风机很远，主管压力相对较小，客观上会造成煤气固体物逐渐析出的速度增大，特别是如果设计煤气流速就偏小，用户使用煤气时用时开，用量时大时小，造成煤气在管道内的流速不均匀，有时会很小，甚至为零，必将加剧焦炉煤气中固体杂质的析出，堵塞加重，腐蚀也加重。

4 预防焦炉煤气管道腐蚀的措施

随着鄂钢产能的扩大，焦炉煤气管道的直径越来越大，对生产和安全的影响必将增大，为了保证新一轮的焦炉煤气管网安全经济运行，延长其使用寿命，我们对技改中的焦炉煤气管道从设计、施工、生产运行管理等多方面采取了措施。

4.1 加强设计管理

（1）根据不同区域的焦炉煤气管道和设计院一起，设计不同的合理的安全经济流速，以达到管道阻力小，煤气中的固体杂质不易析出的目的。

（2）焦炉煤气管道的坡度一定要达到规范要求，便于焦油、冷凝水的流动和排出。

（3）根据管网布置情况，在合理的部位设计合理数量的排水器，便于排水器的管理和冷凝液排出畅通。

4.2 加强施工管理

（1）强化焦炉煤气管道在制造、施工质量的检查和管理，尽量杜绝可能产生的焊缝夹渣、咬边、弧坑、未焊透、焊缝表面粗糙等缺陷，尽量使管道内外平滑，降低粗糙度，减少煤气中的冷凝水、萘等杂质在粗糙的凹坑处沉积。

（2）按标准进行了渗透性试验和气密性试验。

（3）强化焦炉煤气管道的防腐涂料和涂敷施工质量管理，严格按设计要求进行涂敷材料的验收、钢管除锈、涂层质量等全过程的管理。对于大直径焦炉煤气管道的内壁，最好也设计涂敷防腐层防腐。根据腐蚀原因分析，要防止焦炉煤气管道的腐蚀和堵塞，在煤气管道内壁涂敷防腐层，以隔绝铁基体与腐蚀介质接触是必要的。

4.3 选用先进的焦炉煤气净化工艺并加强运行管理

鄂钢现有4座55孔6 m焦炉，两套煤气净化工艺都选用以下工艺流程：

荒煤气—→气液分离器—→横管初冷器—→电捕焦油器—→煤气风机—→预冷塔—→脱硫塔—→终冷塔—→洗苯塔—→净煤气

上述煤气净化工艺是一个比较成熟而先进的工艺，从设计源头将煤气中的H2S、HCN、奈、焦油等堵塞、腐蚀介质控制在较好指标内，在实际运行中加强管理，确保净化工艺的正常运行，净煤气中的杂质就能达到设计要求：H2S＜0.2 g/m3、HCN＜0.5 g/m3、焦油＜0.05 g/m3，萘：夏季＜0.1 g/m3、冬季＜0.05 g/m3，从根本上减缓焦炉煤气管道的堵塞和腐蚀。

4.4 加强对焦炉煤气管网的运行管理，特别是强化管道中的冷凝水和堵塞物排出的管理。排水器、排水阀要定期清扫、排水设施保证完好，确保冷凝水排出畅通。

4.5 在条件允许下，根据焦炉煤气管道堵塞情况，定期进行清扫也是必要的。

5 结论

（1）电化学腐蚀是焦炉煤气管道内壁腐蚀的主要原因，氢硫酸、氢氰酸、碳酸的化学腐蚀以及氧的腐蚀也会对管道腐蚀产生一定的影响。冷凝水和固体杂物沉积于管道内，是造成焦炉煤气管道腐蚀的重要条件。

（2）在设计、施工和运行中加强管理，确保焦炉煤气管道内的冷凝液及固体杂物迅速排出，并对大直径焦炉煤气主管内壁采取涂敷防腐层等措施，可以大大地降低焦炉煤气管道内壁的腐蚀速率，延长使用寿命。

[1]傅积和，余存华，林密华等.化纤化工设备防腐蚀[M].北京：纺织工业出版社，1985.

[2]加藤正义（著），伍学高（译）.金属防腐技术[M].成都：四川科学技术出版社，1985.

Causes of Corrosion of Coking Gas Pipes and Preventive Measures

ZUO Zuhua
(Echeng Iron and Steel Company of WISCO,Ezhou,Hubei 436002,China)

Corrosion and blockage often occur in coking gas pipes.Causes of corrosion in the internal wall of coking gas pipes are analyzed from the aspects of chemistry,electro-chemistry and oxygen corrosion.

coking gas pipe;causes of corrosion;anti-corrosion measure

TQ547.8

B

1006-6764(2014)03-0023-03

2014-01-24

左祖华（1956－），男，大学本科学历，高级工程师，长期从事焦化、燃气专业技术工作。