分馏塔喷淋型湿式空冷器管束腐蚀原因分析与防护

李 旭,刘 晖

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

分馏塔空冷器作为催化裂化生产中的关键设备之一，在石油炼化生产中，它肩负着降低富气温度，向气压机组输送符合工艺要求压缩富气，维护装置平稳运行，提高轻质油收率的重任。延安炼油厂联合二车间分馏塔使用的是喷淋型湿式空冷器，该空冷器自2013年投用以来，由于空冷器管束出现不同程度的腐蚀而导致发生多次泄漏，造成富气温度升高，引起富气量的异常波动，进而对气压机组的平稳运行及整个催化装置的安全生产造成严重影响。因此，对分馏塔湿式空冷器管束在使用过程中的腐蚀问题进行分析，以便在今后的生产中采取相应的预防措施，保证企业安全生产[1]。

1 湿式空冷器基本工况

1.1 工作原理

图1 喷淋型湿式空冷器结构示意图

延安炼油厂200万t/a催化分馏塔空冷器A-2201采用的是目前炼化行业最常用的喷淋型湿式空冷器，其结构示意图如图1所示。工作原理：来自水处理中心的软化水经过循环水泵加压后输送到位于管束两侧的喷淋管内，经喷头并借助引风机的风力直接在管束的翅片管上喷雾状水，使翅片表面完全被水湿润，不仅可以降低空气进入管束时的温度，而且依靠翅片表面上水的蒸发带走大量的热，使得管束内的高温富气与管束外的喷淋水及空气热交换效果显著提高，使管束内富气温度在出口时达到工艺需要的温度。喷淋型空冷器喷淋用水量仅为水冷器的2%～3%，其热交换效果比干空冷器高2～4倍。

1.2 工作环境

分馏塔空冷器A-2201露天放置在分馏装置区二层平台上，共20组，空冷器管束材质为10#钢，管箱材质为Q345R，管束表面采用热镀氧化锌工艺防腐，管束内介质为高温富气，喷淋管内介质为来自水处理中心的软化水。

分馏塔空冷器A-2201的基本参数如表1。

表1 喷淋型湿式空冷器设备参数

2 分馏塔湿式空冷器管束腐蚀原因分析

2.1 管内低温化学腐蚀

延安炼油厂原料油属于典型的陕北特低渗透原油，其含盐量和含水量较高，虽然催化装置的原料油先经过脱盐、脱水处理，但其含盐量基本在10mg/L左右，原料油在反应器中和催化剂高温反应，原料油中含有的MgCl2和CaCl2在温度达到200℃时开始水解，形成具有强腐蚀性质的HCl，其化学反应机理如下式[2]：

水解形成的强腐蚀性介质HCl和分馏塔顶出来的富气中的其他硫化物，尤其是 一起挥发成气态，HCl和H2S等含硫物质在气态时对空冷器管束的腐蚀性很小，可以忽略；但是当富气进入A-2201空冷器时，在空冷器的冷凝作用下，富气温度从110℃左右急剧下降，此时，富气中含有的水蒸气冷凝成液体，而HCl和 就会溶于水，形成具有强烈腐蚀性的"稀盐酸腐蚀环境",即低温 腐蚀，其化学反应机理如下式[3]：

空冷器管束处于稀盐酸腐蚀环境中，H2S与空冷器管束发生化学反应生产腐蚀产物FeS，而FeS附着在管束表面会起到保护管束的作用，但是又由于HCI的存在，HCI与FeS继续发生反应继而破坏保护层，同时产生H2S进一步加重腐蚀，形成循环性腐蚀。其化学反应机理如下式：

2.2 电化学腐蚀

分馏塔空冷器A-2201的管束使用的是10#钢，并且在管束表面镀了一层氧化锌薄膜作防腐蚀保护，但是空冷器是露天放置，其关键部位管束都暴露在大气中，又由于空冷是喷淋型湿式空冷器，在工作时，管束受到冷却水持续不断的喷淋，以及雨水冲刷等外界环境的综合影响，空冷管束在使用过程中表面的氧化锌保护膜会发生局部腐蚀，使得保护膜局部破坏，这时保护膜受到破坏部位的金属裸露在潮湿的环境中，此时裸露的金属表面吸附了空气中的水分，并形成了一层薄薄的水膜，而炼油厂的空气中存在着一定量的二氧化碳、二氧化硫和其他的含硫氮化合物，其和空气中的氧气一起溶解在这层水膜中，在金属表面形成一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池，而浸泡在这层溶液中的10#钢中含有其他杂质，如石墨、渗碳体(Fe3C)以及其它金属和杂质，这些杂质大多数没有铁活泼。于是在这些原电池中铁元素失去电子成为阳极，而其他杂质则为阴极，形成腐蚀原电池，又由于铁与杂质紧密接触，使得电化学腐蚀不断进行。其化学反应机理如下式：

阳极

阴极

总反应

2.3 循环冷却水腐蚀

喷淋式湿式空冷器管束外表面由于长期受到冷却水的冲刷，会在管束外表面形成一层水垢对管束造成腐蚀影响。其腐蚀程度与冷却水的水质、流速、温度和空冷器管束的材质有很大关系；延安炼油厂循环水来自洛川县葫芦河，平均含沙量7.8kg/m3，现状水质为Ⅱ类，矿化度402mg/L，属于典型的高含沙量黄土高原水系，水质偏硬，虽然经过水处理中心的软化处理，但是循环水中还是溶解有各种盐类，如重碳酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等，形成过饱和的水溶性盐类溶液，在这些溶解的盐类物质中，重碳酸盐的性质极不稳定，容易受热分解生成碳酸盐沉积在金属表面。当冷却水中溶解有较多重碳酸盐时，冷却水喷淋到空冷器管束表面时，由于其管束表面温度较高(富气进入空冷时温度为110℃左右)，此时重碳酸盐就会受热分解。其化学反应机理如下式：

上述系列反应中生成的 CaCO3，MgCO3属微溶性盐，他们在水中的溶解度比重碳酸盐低，并且他们的溶解度随着温度的升高而降低，因此在管束表面这些微溶性盐容易形成过饱和溶液而析出结晶，沉淀在空冷管束表面形成水垢，引起空冷管束发生严重腐蚀。

3 预防措施

通过对分馏塔湿式空冷器管束腐蚀的几种原因进行分析，我们可以在以后使用的过程中采取以下几项针对性的措施来提高空冷器管束的使用寿命。

3.1 加强“一脱三注”工艺

对于低温 腐蚀 , 目前国内主要采用“一脱三注”的方法, 就是原油深度脱盐、脱后原油注碱、分馏塔顶注氨(或胺 ),注缓蚀剂[4]采用这种工艺可除去原油中的杂质,中和管束中已生成的酸性介质,使管束表面形成保护层，破坏低温腐蚀产生的环境，从而起到防护的目的。

3.2 采用高耐腐蚀保护层

湿式空冷器管束材料一般使用的是10#钢，属于低耐腐蚀性材质，其表面的氧化锌薄膜容易被破坏，可给管束表面镀一层高耐腐蚀性锌铁合金电镀或Zn-Mg 合金镀层[5]，防止电化学腐蚀的发生。

3.3 改善循环冷却水水质

湿式空冷器使用的循环冷却水应使用经过水处理中心的沉淀、软化等处理，降低水质硬度，减少软化水中含盐量，也可在软化水中加入缓蚀剂或阻垢剂减缓腐蚀。