干气低分气装置腐蚀原因分析

黄新泉

（中国石油独山子石化公司研究院，新疆 独山子 833699）

0 引言

某石化公司干气低分气回收装置，2015年11月建成投产。2018年3月前，装置未发生过明显的腐蚀泄漏问题。但随着焦化放空气、乙烯火炬气的引入，发现部分设备和换热器结垢严重，垢下有严重的腐蚀坑。2019年1月，压缩机二级出口水冷器E-401碳钢管束发生腐蚀泄漏，随后连续发生腐蚀泄漏，或因腐蚀严重更换管束。相邻设备、管线也发生较明显腐蚀。本文从工艺流程、腐蚀形貌、腐蚀介质来源、原料和负荷变化情况、设备材质等几方面对干气低分气腐蚀原因进行分析，并提出防护措施。

1 概述

来自加氢裂化装置干气脱硫和低分气脱硫单元的干气及低分气，经分液罐V-401分液后，进入压缩机K-401。压缩机轻烃凝液经一级冷却器E-421A/B换热后，进入压缩机凝液分液罐V-421A/B；出口干气压缩气经二级水冷换热器E-401换热后，进入压缩机干气分液罐V-402。V-421气相进入返回压缩机，液相去脱丁烷塔C-403；V-402气相去柴油吸收塔C-401，液相和V-421液相混合去脱丁烷塔C-403。这其中含水多，且有腐蚀介质的干气和低分气会对设备、管线造成一定的腐蚀，详细的腐蚀流程图如图1所示。

图1 干气低分气装置腐蚀流程图

由图1可知，装置主要流程是将脱硫后干气（含火炬气）压缩，冷却、分液后与脱硫后低分气混合，在柴油吸收塔C-401中用冷柴油进行接触，脱除其碳四及以上的烃类后，形成粗氢，粗氢去制氢装置PSA单元进一步提纯。富柴油再通过汽提蒸汽解吸，解吸气返回干气压缩机入口，与干气一起进行压缩。压缩机各级分液罐收集的轻烃进脱丁烷塔，被分离成液化气和轻石脑油产品。图中红色部分是腐蚀严重且发生泄漏部位，黄色部分是发生明显腐蚀减薄部位。

2 失效分析

2.1 腐蚀形貌分析

从腐蚀流程图上看，干气低分气装置腐蚀主要集中在二级水冷换热器E-401、分液罐V-402、解吸塔进料/塔底换热器E-402等部位。其中E-401近2年来连续发生腐蚀泄漏。做为压缩机出口二级水冷器，E-401是利用循环水对压缩后的干气及火炬气进行降温，以便冷柴油吸收。E-401采用小浮头式换热器。相关设备参数如表1所示。

表1 二级水冷器E-401设备参数表

从表1可以看出，E-401管程为0Cr18Ni9不锈钢材质，耐一定程度的酸腐蚀，但使用一年左右后管束外壁发生腐蚀泄漏，清洗后，管束外壁腐蚀宏观形貌图如图2所示。

图2 二级水冷换热器E-401管束外壁腐蚀形貌图

从图2可以看出：E-401水冷器不锈钢管束外壁腐蚀呈点状分布，局部蚀坑深约1.0～2.0mm，点蚀坑周围管壁光洁，部分点蚀坑已连成片，局部腐蚀减薄明显。

2.2 腐蚀介质分析

干气低分气装置进料主要是脱硫后的干气、低分气，在脱硫过程中，一部分易溶于水的腐蚀性介质如有H2S，CO2等已同时脱除。正常情况下，腐蚀不会太严重，且装置2015年建成，2018年之前未出现明显腐蚀问题。2021年5月后，对压缩机入口分液罐V-401和轻烃闪蒸罐V-405冷凝水进行腐蚀介质分析，发现V-401冷凝水pH最低5.87，平均值6.77；V-405冷凝水pH最低5.82，平均值6.94，即压缩前后干气中存在冷凝水凝液，且冷凝水均呈弱酸性腐蚀环境。

对脱后干气和低分气成份分析，低分气主要成份是H2，干气主要成份是H2、N2、甲烷等。低分气中含少量O2，干气中含少量CO2，在有水分存在的情况下，具有一定的腐蚀性。原料气中其他腐蚀性介质，如硫化物，氯离子等，由于易溶于水，不在原料气成份分析结果内，但E-401垢样分析发现含硫化物和氯化物。详细分析结果如表2所示。

表2 E-401垢样水溶性物质含量分析表

从表2垢样水溶性物质含量分析表可以看出，壳程沉积物垢样中含氯离子、硫酸根离子、氨氮、硫化物等腐蚀性介质，尤其是氯离子的存在，为不锈钢管束发生点蚀提供了腐蚀环境。氯离子主要来源，是干气和低分气脱硫所使用的胺液为加氢裂化单元系统所用胺液，分析结果表明系统胺液含氯离子。

2.3 装置原料和加工负荷变化分析

装置设计干气处理量7 0 0 0 N m3·h-1，低分气处理量7000Nm3·h-1，干气加工量一直维持在5000～5500Nm3·h-1，未超过设计值；低分气加工量目前为在9000～10000Nm3·h-1，超过设计值。低分气加工量超标的主要原因是：2020年后原油硫含量持续上升，三套加氢装置循环氢中硫化氢浓度超标，大量废氢进入低分气脱硫塔C-206进行脱硫，造成脱后低分气量增加。另外，自2020年6月回收化工瓦斯以来，火炬气中氮气含量明显上升，最高氮气含量达到63%，远高于设计值3.82%，火炬气回收至200万干气脱硫塔C-205，一方面，造成脱后干气中氮气含量升高，影响粗氢和轻烃收率；另一方面，造成干气脱硫塔C-205工艺操作参数波动大，脱硫效果不佳，酸性腐蚀性介质未能及时脱除，对后续干气低分气装置造成腐蚀。

2.4 设备和管道材质分析

干气低分气装置主要设备有塔器3台，容器12台，换热器15台，管线116条。主要设备和管线材质以碳钢为主，主体设备，如塔器、容器等未见严重腐蚀。腐蚀主要集中在低温且含水的换热器、分液罐、管线等部位。因此，碳钢材质设备和管道，在工艺条件正常，即干气低分气中不含或含极少量水的条件下，能够满足装置安全生产需求。

3 腐蚀原因及腐蚀机理

通过对上述因素进行分析，明确干气低分气装置腐蚀原因是：干气低分气经过一级压缩、冷却后，干气低分气中的少量水分聚集，生成液态水，同时，干气低分气中的腐蚀性介质，如CO2、H2S、氯离子等溶于水后，对管束发生酸性水腐蚀。腐蚀机理是酸性水腐蚀（酸式）[1]，腐蚀反应方程式如下：

释放出的氢离子是强去极化剂，易在阴极夺取电子，促进阳极溶解反应使钢铁遭受腐蚀。其反应式为：

阳极反应：Fe→Fe2++2e；Fe2++HS-→FeS+H+

阴极反应：2H++2e→2H→H2

氯离子不会做为去极化剂直接参与腐蚀反应，但铁腐蚀变成铁离子后，由于氯离子更易和铁离子结合，从而加剧腐蚀反应。不锈钢的耐蚀作用主要依靠其表面的氧化膜，氯离子由于半径较氧原子小，很容易破环这层氧化膜，表现为氯离子对不锈钢的点蚀坑或不锈钢的应力腐蚀开裂。因此，含氯离子的酸性水对不锈钢腐蚀表现强烈，即便在不锈钢表面，也易形成氯离子的点蚀，甚至均匀腐蚀。

4 结论和防护建议

（1）干气低分气装置腐蚀主要集中在介质含水且低温部位。具体是在压缩机分液罐，冷却器，进料预热器，塔底再沸器，塔顶换热器等处。腐蚀原因是干气低分气中的腐蚀性介质，如氯离子、H2S、CO2等遇水溶解，形成酸性水，对设备和管线造成不同程度的腐蚀，氯离子的存在加剧了酸性水的腐蚀，即便E-401管束升级为0Cr18Ni9不锈钢材质，在这样的腐蚀环境下也仅能使用半年左右。除了干气低分气自带少量水分，解析塔等塔器加热需要引入蒸汽，也会带来水分，造成解吸塔进料/塔底换热器E-402等设备腐蚀泄漏；装置腐蚀范围广，腐蚀程度深，同时，超声波测厚和涡流扫查无法全覆盖装置易腐蚀部位，极易发生腐蚀泄漏风险；

（2）要从根本上改善干气低分气装置的腐蚀环境，必须从源头上尽可能减少水分和腐蚀性介质的进入。一方面，开好干气脱硫塔，减少脱硫后干气中的腐蚀性介质；另一方面，管控好压缩机前过滤器、聚结器、分液罐的操作运行，控制进压缩机前干气中的含水量。必要时，增设高效聚结器，有效脱除干气中的水分，脱除水分的同时，因腐蚀性介质易溶于水，也可脱除腐蚀性介质，从而控制腐蚀的发生。