氮气保护解决火炬塔底腐蚀

2019-03-27 09:58:00 作者：周顺平来源：设备管理与防腐整理分享至：

某石化公司炼油厂火炬回收系统是各生产装置的安全泄放和可燃气体回收利用装置。正常生产时低压瓦斯回收利用，事故状态下低压瓦斯在火炬燃烧后直排大气，燃烧产生的废气主要经检测，达到国家对于锅炉大气排放标准要求设备。因加工加工原油的多样性，高酸、高硫和高含盐，使得石油化工厂的瓦斯系统管线常常处于腐蚀介质作用环境，造成管线腐蚀泄漏而发生着火爆炸事故，据有关资料表明，炼油企业每年因腐蚀造成损失占20%-50%。本案例对管线腐蚀失效的现象进行分析研究，提出火炬筒体采用氮气保护，以延长设备使用寿命和装置开工周期。

1、腐蚀因素

该石化公司加工高硫原油的比例逐年增大，原油的硫含量和酸值呈现上升的趋势。公用工程瓦斯系统回收各生产装置外排气体-瓦斯气，瓦斯中的硫化氢含量一直比较高，月平均为35600mg/m³，易对设备造成硫腐蚀。由于受火炬保护蒸汽和水封罐带水的影响，瓦斯中的硫化氢溶于积水部位的水中，形成酸性液体，对管线底部和火炬筒体底部形成均匀腐蚀减薄。硫化氢只有溶解在管线内部的积水积液中才具有较强的腐蚀性，硫化氢在水中的溶解度最大，电离呈酸性，释放出的氢离子是强去极化剂，使管道和设备底部积液处出现较强腐蚀。

2、H2S的腐蚀机理和影响因素

① H2S腐蚀机理

电化学失重腐蚀也叫硫化应力开裂（SSCC）腐蚀。在湿状态下，H2S和CO的会产生电化学腐蚀，而且这种腐蚀作用会随分压值的升高而加剧。硫化应力开裂（SSCC）容易发生在焊接缝或热影响区中的高硬度值的部位。

当电化学产生的氢渗透到钢材内部组织比较疏松的夹杂物（包括硫化物和氧化物）处，并聚集起来形成一定的压力。经过一段时间的积累会使接触它的金属管道和设备内壁的断面上产生平行于金属轧制方向的梯状裂纹，从而导致材料变脆形成层状裂纹，即HIC（氢诱发裂纹）现象，从而影响到管材和设备的安全性。

应力向氢诱发开裂（SOHIC）像HIC一样，SOHIC发生在焊接的热影响区及高应力集中的区域，但形成的裂纹是在贯穿容器壁厚的方向叠加。

②H2S腐蚀的主要影响因素

火炬筒体运输过程中，使用材料的优劣很大程度影响着其抗腐蚀的性能。目前，各化工厂均已认识到了必须使用优质的钢材作为生产用料，因此，大都使用的是高性能、高标准的管材（Q345R）。同时，在管材接合处的加工质量同样也影响着其抗腐蚀的性能。因此，在注重了管材质量的同时，还必须严把加工关，降低因加工不当所引起的硫化氢腐蚀机会。

瓦斯气性质的影响。H2S腐蚀主要受瓦斯气中所含的水、H2S的浓度、CO：浓度、温度、pH值等因素影响。

瓦斯气中的水：水是造成电化学腐蚀的必要条件。由于瓦斯气中H2S和水的存在，使H2S与钢材间极易电解发生电化学腐蚀，从而使管材受损。

H2S浓度：含硫化氢酸性瓦斯气中，气体总压≥0.448MPa，H分压≥0.00034 MPa（绝），敏感材料会发生腐蚀，使管材产生坑蚀等腐蚀现象（见图1）。

由图1可以看出，腐蚀速率随着H2S浓度的升高而增大，增大到一定的程度后又下降，这主要是由于结垢厚度增大了，对腐蚀的阻碍作用增强了；结垢厚度刚开始随着H2S浓度的增大其厚度的增加速率比较快后来逐渐趋于稳定。

温度：钢铁设备的腐蚀速率随着温度的升高而增大。在实际情况下，温度对腐蚀的影响比较复杂，一般情况下是随着温度的升高腐蚀速率也增大（见图2）。

pH值：pH值升高，腐蚀敏感性降低。pH值2～3时，腐蚀敏感性最高；pH值>5时，不发生硫化氢电化学腐蚀。

③火炬筒体硫化铁形成原因分析

由于受火炬保护蒸汽和水封罐带水的影响，瓦斯中的硫化氢溶于积水部位的水中，形成酸性液体，对管线底部和火炬筒体底部形成均匀腐蚀减薄。硫化氢只有溶解在管线内部的积水积液中才具有较强的腐蚀性，硫化氢在水中的溶解度最大，电离呈酸性，释放出的氢离子是强去极化剂，使管道和设备底部积液处出现较强腐蚀。瓦斯气中含有的H2S、CO2等腐蚀性介质在水的环境中对设备造成电化学腐蚀。通常认为，硫化氢溶解到水中形成弱酸，离解出H+与金属发生反应。

H₂S→HS^-+H⁺

HS^-→S^2-+H⁺

FeS+2H⁺ →Fe²⁺+H₂S

硫化氢加速金属的阳极电离，其反应机理如下：

Fe+H₂S+ H₂O →(FeHS^-) +H₃O+

(FeHS^-) → (FeHS⁺) +2e

(FeHS⁺)+ H₃O+ →Fe²⁺+ H₂O+S^2-+2H⁺

火炬在燃烧运行过程中，火嘴温度升高，用蒸汽消烟雾化势必带来一定溶液，又因筒体输送且气量低、流速慢，导致筒底存在一定程度积液，客观上加剧了H2S的腐蚀速率。当筒底积液后，瓦斯气中的H2S和管线发生电化学反应。

3、H2S腐蚀控制

① 火炬筒体H2S腐蚀控制

火炬筒体H2S腐蚀的控制主要有以下几个方面：

选用耐蚀材料。为防止火炬筒体发生氢致开裂（HIC），应根据火炬筒体的运行条件（压力、温度和介质的腐蚀性等），经济合理地选用抗硫化物应力开裂（ssc）的材料。

控制腐蚀环境。腐蚀环境的控制，关键是脱水。脱除水、氧、硫等有害物质可防止酸性环境的形成。控制火炬筒体内腐蚀的关键是管内不能有积液。在日常管理我们根据火炬区腐蚀机理，对火炬筒体采取了用氮气保护代替蒸汽保护并定期清管。定期或在线监测有关腐蚀与防护的参数，如硫化氢、二氧化碳和水的含量，以利于指导现场氮气用量、清管及修复等作业。

选择有效地内防腐层。以保护膜形式隔离腐蚀环境与钢管接触，主要防止电化学腐蚀，对SSC和HIC也起到一定的减缓作用。

② H2S腐蚀控制优化

控制腐蚀环境控制腐蚀环境的关键提高分离效果，尽可能多的脱出瓦斯气中的水，即尽可能降低分离温度。而筒体排液线水平放置依靠人工定期脱液，导致分离效果较差。筒体排设计为大斜度自动引流设施减少火炬筒体带液成为控制腐蚀环境的关键。

火炬筒体采取了用氮气保护代替蒸汽保护并定期清管，通过工艺介质更换，减少蒸汽冷凝液的产生和水的带入。降低硫化氢在水中的溶解度。

4、结论

（1）含H2S的腐蚀很大一部分是由于H2S与水形成溶液后发生的电化学腐蚀，目前本厂采取的防硫腐蚀措施氮气保护起到明显的保护效果。但是对其他设备管线的防腐措施尚须进一步完善。

（2）通过完善低压瓦斯生产管理制度，可以有效降低调整低压瓦斯中H2S含量，使H2S对调整低压瓦斯管线腐蚀速率大幅降低。

（3）定期召开防腐蚀攻关例会，对收集到腐蚀流数据进行整理分析；对新出现的腐蚀和重点腐蚀部位进行具体详细分析，跟踪调查、分析掌握腐蚀状况、摸清原因，制定防腐措施。

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责任编辑：韩鑫