疏水管道冲刷腐蚀原因及预防措施

廖尚君

（中国石油四川石化有限责任公司，四川成都 611930）

0 引言

冲刷腐蚀是高速度的腐蚀流体对材料造成的损伤，是材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象[1-2]。静置或缓慢流动的腐蚀流体对材料的腐蚀速度较小，而高速的腐蚀流体不仅直接接触、腐蚀基体材料，同时损坏表面腐蚀产物保护膜、形成砂浆，裸露出新鲜金属表面，导致被快速刷洗和腐蚀，在存在气液、固液、气固等多相流体中的冲刷腐蚀更为突出。冲刷腐蚀问题在众多行业较为普遍，造成的经济损失也非常大。在众多机械行业中，冲刷腐蚀造成的损失占磨损破坏总数的8%，是压力管道管壁出现局部减薄的主要原因[3]。据统计，全世界因冲刷腐蚀而损耗的金属每年达1 亿吨以上，占全年总产量的20%～40%。

疏水系统是石化、能源及电力等行业中常见的汽水回收系统，对能耗及物耗起着关键作用。在实际工作过程中，疏水系统的泄漏问题较为突出，特别是管道因冲刷腐蚀而导致的泄漏，严重影响能耗物耗的平衡，对操作人员的安全产生隐患，跑冒滴漏现象也导致现场低标准问题突出，对疏水系统管道因冲刷腐蚀失效的研究具有重要意义。

1 疏水管道冲刷腐蚀原因分析

某石化公司自备电站通过疏水系统主要有9.8 MPa 主蒸汽疏水系统、4.0 MPa 高压蒸汽疏水系统、1.2 MPa 中压蒸汽疏水系统、0.4 MPa 低压蒸汽疏水系统。0.4 MPa 蒸汽疏水通过疏水阀汇集至疏水母管，疏水母管汇集疏水后至低压疏水扩容器，经过疏水扩容器闪发后，高温疏水进入疏水箱通过疏水泵进行回用，闪发的低压蒸汽排大气。通过对一个大检修周期管道泄漏点统计，90%以上的疏水管道泄漏发生在0.4 MPa 低压蒸汽疏水系统，特别是在0.4 MPa 疏水母管末端的5 个弯头和疏水分支管三通是管道频繁泄漏的部位。

通过对泄漏弯头进行厚度测量，可以确定管件有明显的非均匀减薄的特性，靠外弯的壁厚有明显减薄甚至穿孔的情况，内弯部位厚度无明显变化，其分布具有一定的规律：管壁随着从内弯部位靠向外弯部位，壁厚逐渐减薄，无突变现象。0.4 MPa 蒸汽疏水管道冲刷腐蚀主要有以下原因[4-5]：

1.1 流动加速腐蚀

流动加速腐蚀是一个非常复杂且影响因素较多的失效过程，是材料表面的保护层溶解到流动的液体或者气液两相中的过程。由于0.4 MPa 疏水母管远离疏水扩容器端，压力近似视为0.4 MPa 蒸汽母管压力，疏水扩容器端压力近似视为大气压力，所以疏水的高压势能转换为动能，流速不断增加，且越靠近疏水管道后端，介质流速越高。一般来说，随着流速增大，腐蚀速率越高，管道的壁厚随着介质的流向不断减薄。在一定的流速范围内，腐蚀速度随之缓慢增大，当流速高达某临界值时，腐蚀急剧上升，在高流速的条件下，不仅均匀腐蚀随之严重，且出现局部腐蚀加剧的现象。不同流速下，腐蚀因素反映在传递过程和力学作用于电化学过程控制腐蚀速率（图1）。

图1 100 ℃水中流动加速腐蚀速率与流速的关系

低速状态介质流速可以降低腐蚀产物浓度而导致腐蚀速率降低；高速状态下传质速度高于金属表面电极反应速度而产生活化作用，控制腐蚀过程，腐蚀速率增高；临界速度以上时，金属表面的剪切应力大到可以撕裂或剥离保护性氧化膜，腐蚀过程变为磨蚀过程。管道尺寸和形状直接影响流体速度，进而影响局部传质速率，若构件的几何形状能增加流体流速和湍流程度，则该构件会受到更严重的流动加速腐蚀。如流体湍流试验中，管道弯头处介质流动不均匀出现局部涡流，对弯头处造成腐蚀加剧的情况，如图2 所示。以上因素和管道壁厚不断减薄的关系，与介质流速不断增加和弯头处局部腐蚀更严重的情况相吻合。

1.2 气液两相腐蚀

0.4 MPa 蒸汽管网压力基本控制在0.5 MPa.A，蒸汽温度控制在250 ℃左右，在此压力下对应饱和蒸汽温度152 ℃，管道疏水通过疏水阀汇入0.4 MPa 疏水母管，疏水阀处疏水温度约等于饱和水温度151 ℃，疏水压力约等于0.5 MPa.A，随着疏水不断流向疏水扩容器，压力不断降低，最终近似视为大气压力。由于疏水管道的保温功能，疏水在管道内降温不明显，疏水在疏水母管内不断蒸发，水一般在管道底部，水蒸气在管道上部，未完全分离的形成汽水混合物在管道内流动。基于冲击波理论和微射流理论，高温水进入管路中，气泡在材料表面产生，气泡随着液体流动，超过临界压力或者碰撞材料表面时气泡溃灭，对壁面产生液压冲击，使金属保护膜破坏，并可引起塑性变形，撕裂金属粒子，膜破口处裸露金属受到腐蚀并重新生膜，此过程反复进行，使金属表面生成致密的深孔。

1.3 流体滞止区腐蚀

流体介质的流场在冲刷腐蚀中起着非常重要的作用，流场的描述涉及到较复杂的流体动力学计算，以管流式流场中膨胀管和弯头部分的冲刷腐蚀最为复杂。在直线管道中单项流腐蚀主要为氧腐蚀；介质中存在双相流时，在收缩—膨胀管道中的流体，受到阻碍而出现分离或冲击管壁的情况。弯管或变径管中的流场不同于直管的流场分布，在管壁上将会出现滞止区，当流体从法向接近并冲向壁面时，其速度减少至零的区域为流体滞止区，如图3 所示。流体在滞止区中减速，冲击管壁并释放动能而造成管壁冲刷腐蚀加重。

图3 弯管与变径管的流体滞止区分布

2 疏水管道冲刷腐蚀泄漏整改措施

通过冲刷腐蚀的理论研究发现，冲刷腐蚀是必然存在的，对薄弱点可以通过技术措施减缓局部冲刷腐蚀，对疏水管系进行改造，升级管材壁厚达到延长疏水管道使用寿命的目的。

2.1 直管段壁厚分段增厚措施

直管段的冲刷腐蚀主要是均匀腐蚀，通过对管道壁厚的测量，前段疏水母管直管段的壁厚无明显变化，后段疏水母管直管段冲刷腐蚀减薄明显，考虑整体更换管道成本较高，对后段明显腐蚀减薄管段进行壁厚升级，特别是后17 m 弯头较多的管段，原设计管道壁厚（Φ57×3.5）mm，通过一个大检修周期腐蚀速率的测算，建议后17 m 壁厚升级为5.5 mm，增加腐蚀余量，保证疏水管道至少一个大检修周期的使用寿命。

2.2 管系三通管件壁厚升级及改造

通过管系三通管件泄漏部位统计和测厚的情况，原疏水分支管三通（Φ57×32×4）mm，壁厚升级为5.5 mm，在三通底部，可以进行补强增厚处理增加腐蚀余量。或采用斜角45°的三通管件，减少对三通底部的直接对冲冲刷腐蚀，延长使用寿命。

2.3 管系弯头壁厚设计及改造

通过对管系弯头管件泄漏部位统计和测厚的情况，管系共设计7 处弯头，延介质流向，前2 处弯头壁厚腐蚀速率正常，随后4处弯头腐蚀速率明显增大甚至泄漏，最后1 处弯头腐蚀速率最高，壁厚最薄且泄漏最频繁。原弯头厚度为3.5 mm，前5 处弯头壁厚升级为5.5 mm；后2 处弯头改为等径三通和盲端结构，选用壁厚5.5 mm，减少弯头的冲刷腐蚀，延长管道使用寿命。

3 结语

分析0.4 MPa 蒸汽疏水管道的泄漏情况，主要原因是介质气液两相性的冲刷腐蚀造成管壁减薄而导致泄漏，具有此类特性的流体介质在石油化工、电力行业较为常见，具有典型意义。通过对管系进行设计改造，加强管道定期测厚等技术检测工作，可以有效预防因冲刷腐蚀而导致的管道泄漏，增加管道使用寿命，达到降低现场跑、冒、滴、漏的目的。