石油化工管道冲刷腐蚀失效分析与预测

何 鹊，张 娜，许宝善，王得蛟

（1.兰州中石油润滑油添加剂有限公司，甘肃兰州 730060；2.甘肃建投重工科技有限公司，甘肃兰州 730060）

管道腐蚀的形式比较多，而冲刷腐蚀导致的失效最为常见，冲刷腐蚀是管道机械与电化学在流体的作用下发生反应，导致金属材料出现表层破损，而冲刷是引起管道损伤的物理原因，冲刷与电化学腐蚀共同作用，对管道安全稳定运行产生很大的影响，如果出现腐蚀穿孔等会直接影响国家能源战略安全，这就需要加强对管道腐蚀速率进行判断，确保石油化工管道安全、可靠运行，避免油气泄漏引发安全事故。

1 石油化工管道冲刷腐蚀影响因素

对石油化工管道产生冲刷腐蚀的影响因素比较多，主要是由于流体流速，冲刷角度，流体温度、流体颗粒含量、pH等因素影响。

1.1 材料性能

管道冲刷腐蚀受管道金属材料影响较大，优质的管道材质具备的抗冲刷腐蚀性能，可以有效抵抗腐蚀，元素差异会导致抗冲刷腐蚀性能有所差异，C、Mo及N元素可以有效抵制金属表面钝化膜的溶解，Cr可以在金属表面生成Cr2O3，使合金材料具有更好的抗冲刷腐蚀性能。相关研究表明，在不锈钢钝化体系中，金属表面产生的电化学反应可以形成致密状态的钝化膜，有利于提升材料耐腐蚀性，而结构更为致密的铬氧化物可以起到隔离作用。但沉积的Fe氧化中，耐冲刷腐蚀的性能起不到防腐作用。金属材料具备的硬度、韧性等性能也会对耐冲刷腐蚀性能产生影响，如果流体不具备较强的腐蚀性，可以选用硬度大的金属材料，可当流体存在较强的腐蚀性，需要考虑到管道材料的耐蚀性。强度低但韧性好的金属材料会加速机械磨损，韧性差的材质易发生变形影响。而金属材料表面粗糙度变大也会使接触表面变大，这就会加快腐蚀速度。

1.2 流体冲刷

流体冲刷腐蚀主要是由于流速、流态、冲刷角度、传质系数等因素影响，流态会对能量场、流动场产生影响，流态与管道金属表面会产生接触，流速会加速管道金属的腐蚀速度，会对腐蚀介质向金属表面传送产生影响，流速大则会导致冲刷速率变大。非钝化体系中，流速变大则会导致腐蚀速率变大，如果流体达到某区域后浓度扩散不受控，腐蚀速率就会变得更为平稳。

在钝化体系中会存在临界流速，如果流速不超过临界值，钝化膜受损后可以及时修复，材料具备更好的耐冲刷腐蚀性。如果冲刷腐蚀加剧，流速变快则会对钝化膜产生更大的冲击力，钝化膜生成速度小于受损速率，金属材料会持续暴露于流体中，就会使材料抗冲刷腐蚀变差。

在钝化体系下，刚开始时流速变化并不明显，如果流速达到上限，加大了破损钝化膜修复难度，金属管腐蚀情况会保持增速。流态有层流、湍流两类，层流时腐蚀介质传质速度较慢，不会产生较大的管道壁剪切应力，湍流的涡旋，对管道壁产生较大的剪切力。研究证实，湍流会对管道壁流场分布产生影响，还会使金属材料与流体接触更为频繁，电化学协同效应会变强，会加快金属材料腐蚀。流态和管道几何形状有着直接联系，会弯头、变径等部位的流体会突然形成湍流、涡旋，会使该部件受到更严重打冲击腐蚀。

剪切力也会对管道冲击腐蚀产生较大的影响，流体具备黏性会在流经管壁时形成剪切力，在钝化体系下存在的保护膜将会受损，会对管道壁边界层流场分布带来影响，国内有学者表明剪切力与钝化膜受损存在正相关关系。剪切力受损程度较低，氧扩散控制特征会体现在阴极，流体供氧性能差且会使钝化膜很快被修复。剪切力变大，加速保护膜受损速度，修复速度难以赶超受损速度，管道壁层流场分布也会变化，这样就会加快保护膜的流失。

1.3 环境因素

流体温度改变也会对冲刷腐蚀速率带来影响，流体温度升高会降低黏性，流体与管道金属表面间的冲击力会变大，温度升高也会使氧扩散速率变大，金属反应活性增强，电荷转移速率变大会加剧电极表面损伤。金属材料的延展性也会跟着温度升高而变大。pH也会对冲刷速腐蚀速率产生一定程度的影响，冲刷腐蚀速率会跟着pH升高产生先降低后升高的变化，酸性环境下的腐蚀速率最大，这是由于钝化材料无法在酸性环境生成保护膜，而中性流体中冲刷腐蚀速率会下降到最低，是由于pH的增加使介质氢离子浓度变小，腐蚀电化学反应从析氢反应变成吸氧反应。

2 污水汽提装置弯管冲刷腐蚀失效分析

2.1 案例背景

某石油化工企业采用单塔加工工艺，用于处理减压装置、催化裂化装置中含硫化氢、盐酸和氨的污水，塔顶端酸性气体通过换热器进行冷凝，气体温度减小至80℃通过储运塔回收，含有硫化氢、氨的污水通过换热器冷却以后输送至分凝器，为了对温度改变情况进行监测，在换热器到分凝器管道部位安装热电偶。汽提管道材质为S31600不锈钢，管壁厚度为4mm，操作温度为120℃，污水压力为0.15MPa，外送温度区间为35-40℃，流量为20t/h。变管外径108mm，壁厚4mm，热电偶安装于距离弯头150mm。换热器到分凝器管线弯头部位侧壁存在渗漏，需要对失效弯管进行腐蚀检测和数值模拟分析。

2.2 失效行为分析

采用XRF和EDS无损检测技术对管道金属元素组成进行定性、定量分析，发现Cr、Ni和Mn都满足316不锈钢材料标准规定要求，采用数显显微硬度计对材料硬度进行检测，硬度值都在171～187HV，满足相关标准要求。采用草酸对弯头材料进行电解刻蚀，并对电解前后进行金相分析，检查是否存在晶间腐蚀的可能，从金相图中发现弯头为奥氏体不锈钢孪晶结构，腐蚀不会出现腐痕，表明材质抗腐蚀能力较强。对失效弯头部位进行切割取样，发现腐蚀体现在金属管壁，腐痕集中在金属管内脊部位，随着沟壑状腐蚀坑加深引起的介质泄漏。一般情况下，流体接触金属表面会存在产物膜，对流体与金属起到保护屏障作用，会抑制金属材料的腐蚀。如果不产生沉积，表明流体冲刷作用不会对腐蚀造成正向影响，但由于流体作用导致金属管道收到腐蚀，一般金属材料直接暴露于流体则加快了腐蚀速率，该泄漏为电化学腐蚀与流体共同作用产生的。对失效壁面样片采用显微镜进行表征观察，发现弯头存在圆形凹坑、沟槽腐蚀，腐蚀区域从凹坑向沟槽过渡，腐蚀沟槽的加深会使弯头失效。

对腐蚀产物进行分析，采用EDS检测技术对成分进行分析，发现产物中存在Fe、Ni、S等元素，S来自于原油中有机硫，通过化工过程转变为无机硫，原油中无机氯进行处理后会分解为HCl，进行转化后会变成NH3，而不存在水分的NH3不会腐蚀金属材料，在热交换时会使NH3转变为液相，与H2S结合成NH4Cl等物质，然后达到电离平衡状态，再与腐蚀产物保护膜反应形成酸性水环境，铵盐吸湿溶解产生腐蚀介质。

2.3 流体动力学分析

在截面前直管段中，两个管道压力变化并不明显，流体通过热电偶部位时，由于正对流体来流方向，在该部位产生流动滞止，热电偶表面承受压力值最大，流体进入到弯头部位时由于流向的改变会使其产生压力梯度。在离心力的影响下，弯管外壁压力会不断变大，下游两侧管壁压力会变小。热电偶阻碍后的流体方向和流速产生改变，流体通过弯头部位时比压能会变成动能，受到热电偶前期的扰动，流体流速得到进一步提升。在边界流动层流动过程中，流体会在低速条件下出现偏转而形成反向旋涡，内脊部位流体生成与主流垂直的二次流，也会使侵蚀变得更为剧烈，表明插入热电偶的流速会高于无热电偶。

入口部位两个管道流态都比较均匀，如果流体经过热电偶则会使过流断面变小，流速会变大则存在流速上升区，也会产生流体涡旋而产生能量消耗。流体通过弯头部位会受到离心力和热电偶的共同作用，会使弯头内脊部位速度变大，侧壁速度也会相应变大，会在管道下游受到汇流作用，热电偶起到的作用会不断变弱，流速会重新达到无热电状态。对流体速度与剪切力关系进行验证，剪切力的存在会剥离保护膜，导致管壁出现裂痕或蚀坑，而剪切力和速度梯度为正比例关系，安装热电偶会导致剪切力集中，比没有热电偶时范围变大，热电偶的存在导致流速充数大，弯头部位湍流更为明显，速度梯度变化区域也相应变大，导致剪切应力向内侧变大。

2.4 失效机理分析

弯头失效是污水汽提管道在运行环境中受到的冲刷腐蚀引起的，安装热电偶使流线分布变弱，腐蚀位置也发生改变。弯头内脊和下游两侧管壁流速、剪切力最大，一旦超过了钝化膜受损上限，会导致管道在冲刷作用下发生腐蚀。管材在运行过程中呈现出与充动方向平行的腐蚀痕迹，在该流体作用影响下，流速会不断变大，痕变会圆坑演变为沟壑。弯管失效和介质特性也有着直接联系，相关研究表明，氯离子与硫化氢具有协同作用，弯头内脊和下游管壁有着较好的氯离子输送能力，但因为氯离子半径不大具有较好的吸附能力和渗透性，可以穿透管道金属表面替换出保护膜内的氧，起到一定的活化作用，影响生产速率。因此，管道流速、剪切力和氯离子多个因子下，加速了弯头局部腐蚀程度。

3 腐蚀防护优化对策

3.1 热电偶长度

按照流体动力学相关理论，流体通过热电偶时会存在阻塞现象，对流型的影响也比较大。热电偶长度变大，流态均匀性会发生改变，弯头内脊和两侧流速具有变大趋势。最大剪切力分布区域存在热电偶部位，随着热电偶长度的变大，集中区会从内脊向弯头两侧转移，剪切力也会跟着热电偶长度变大则增加，这是因为没有插入热电偶时，离心力会使流体流态发生变化。但随着热电偶长度增加，插入部位流体截面变小，会引起局部速度变大。在该截面以后，受到热电偶导流与分隔的影响，弯管部位流体方向变化会形成离心力，下游位置会存在较多的流态改变，线性被削弱而使腐蚀区域发生变化。热电偶越长则有着更强的阻碍效应，热电偶区域和下游流体规律性会变得更差，弯头部位的流体方向改变引起的涡流现象更为强烈，对管壁剪切力也就更大。

3.2 弯管曲率半径

弯管部位二次流会受到曲率半径影响，不同曲率半径弯管流速、剪切力分布有所差异。小曲率半径弯管湍流区域比较靠前，流线变得会不稳定，存在着二次流和流动分离现象。高速流体存在会弯头内脊，可由于曲率半径的变大则会湍流区域靠后，流性规律得以改善。弯头部位速度分布会受到曲率半径影响，曲率半径大则弯头部位速度变小。弯管上游流速变化较小，弯管方向变化截面中，曲率半径小弯管速度变化则越快，分离面积也相应变大，流体易产生流动分离，速度集中区域也更为显著。在弯管下游区域，曲率半径小不利于流体恢复形状，不均匀分布和湍流产生速度增加抑制起来的难度更大。随着弯管曲率半径变大，剪切力会从侧壁向内脊转移，半径变大则对流体的控制能力就越强，流体不规则性会变弱，对外脊挤压会跟随离心力对流体作用变小，这就使得腐蚀介质集中在弯管内脊。

4 结语

石油化工管道冲刷腐蚀失效应该从宏观检测、沉积物分析等入手，结合实例对不锈钢弯管局部减薄泄漏进行研究，发现是由于热电偶引流分隔引导起的流态不均，使流体流态发生改变，剪切力与速度集中于弯管内脊与两侧，局部流速过大导致的冲刷腐蚀。还受到速度最大部位氯离子传质能力影响，使钝化膜受损加剧，电化学腐蚀与流体共同影响下，使弯管部位失效，可以通过增大曲率半径来降低离心力，避免弯头部位受到冲击，热电偶安装部位应该远离弯头，避免对流体流场产生影响，适当加大管径来减小介质流速，减小流体对弯管内壁的冲蚀，可在管道内壁衬上防腐蚀材料，提高管道的使用寿命。