加氢高压空冷冲蚀腐蚀的分析及预防

计划停工，对生产平稳运行造成极大影响。随着炼化一体化不断发展，加氢装置单体处理规模不断扩大和原油品质不断劣质化以及装置实现长周期运行目标等因素，加氢装置在设备制造、使用经验方面对高压空冷设备安全可靠性提出更高的技术要求，在役高压空冷设备安全可靠性成为设备管理的技术关键。

自1976年以来，国外一直持续开展加氢装置高压空冷冲刷腐蚀导致管束失效的原因分析，我国国家压力容器与管道安全工程技术研究中心也针对国内发生的高压空冷失效问题进行了大量的研究并提出预防冲刷腐蚀的指导性意见。国内外的研究表明，高压空冷泄漏失效主要有两方面原因：一个是由于反应产物NH4Cl和NH4HS结垢造成垢下腐蚀，形成蚀坑，最终导致空冷基管穿孔泄漏;另一个是由于空冷介质流速过快，注水量不足造成介质中的固体颗粒对基管冲蚀造成机械性损伤，最终导致基管泄漏。在空冷管束无结垢的情况下，空冷内介质的冲蚀（属于局部腐蚀）是造成管束泄漏的主要原因。第一个原因是化学机理，第二个原因是物理+化学机理。

2 冲蚀腐蚀失效的案例分析

本文以中石油北方某加氢装置反应产物空冷器管束基管泄漏失效问题为例，通过宏观检查、理化检测等方法，对导致高压空冷失效的主要原因和反应机理进行分析。

2.1 基本情况介绍

该加氢装置失效高压空冷设备为国产设备（基本参数见表1）共计4台，总体布置采用双并联加串联形式。该设备于1997年制造，1999年末投入使用。空冷设备采用分体式结构设计（如图1、图2所示），型号：GP9×2-4-85-16.0SF-23.4/G-Ⅳt，在役9年后于2008年11月开工过程中发生空冷第一管程（管束入口端）基管爆裂泄漏问题。2009年该装置对现有的4台旧空冷全部进行更换，新设备在运行三年后于2012年11月、12月位号B、C两台空冷分别再次出现泄漏，泄漏部位在第一排出口管箱与管连接处。

2008年11月第一次空冷泄漏现场拆解检查，失效基管属于空冷第一管程，处于入口管法兰附近（如图3所示--从空冷管束右侧向左数第6根管束），泄漏部位距入口管箱侧壁245mm。基管泄漏口（破口）方向向下。现场截取失效泄漏基管进行宏观检查，基管破口泄漏位置距管束入口内衬管尾端出口约28mm位置（如图4所示），破裂部位属于减薄撕裂失效，裂口最薄的厚度0.2mm。爆口部位内壁较光滑平整，直观检查未见明显结垢或垢状物存在。

同时现场截取相邻未泄漏失效基管（从空冷管束右侧向左数第7根管束）相同部位进行对比检查（如图5、图6所示），相邻的未泄漏基管内壁下侧明显出现局部减薄现象（图5），管壁厚度最薄处减薄至1.8mm（设计管壁厚度3mm），减薄范围在衬管末端约120mm范围内，超过该范围远离爆管部位壁厚减薄现象并不明显。同时在基管内壁减薄区域内存在明显环状沟槽，沟槽最深处超过1mm（如图6所示）。为进一步了解基管局部减薄现象分布情况，现场对未失效基管扩大取样检查范围，对第一管程基管其他基管靠近衬管尾端部位进行检查，样品整体检查发现，在衬管尾端管束下方均明显存在不同程度的减薄现象，减薄最严重的基管主要集中分布在空冷管束的两个入口法兰附近区域。为了解空冷管束内结垢情况，对该片空冷所有管束进行拆解检查，失效管束基管内壁无明显堵塞、结垢问题。

2012年该空冷第二次发生泄漏，泄漏部位位于第一管程末端基管与管箱焊接连接处（结构如图7所示），通过返厂拆卸检查，焊缝外观无明显异常，基管末端与管箱焊接角焊缝部分减薄缺陷（如图8所示）。通过现场机加切削检查基管管端焊缝平面，发现焊道处有约10mm缺陷裂痕（如图9所示）。泄漏原因是由于介质冲刷腐蚀造成焊缝局部减薄产生裂纹，介质高速涡流冲蚀使图7中I部位的局部焊缝严重减薄产生裂纹。高压介质从基管与管板之间的缝隙泄漏出来。这种焊缝缺陷并非个例，空冷分体管箱多处出现类似缺陷。

2.2 失效基管理化检验分析

通过权威机构对第一次空冷泄漏中失效基管的理化检测分析（检测结果如表2所示），失效基管的金相分析和硬度均符合国家相关标准要求。为确定整体空冷管束流程中腐蚀介质组分分布情况，分别对失效空冷管束的第一管程和第四管程管内表面进行取样分析，第一管程内壁的腐蚀物主要是铁的硫化物，腐蚀产物与碳钢基体界面明显凹凸不平，凹凸深度达到50μm。总体来看，管束的第一管程基管和第四管程基管不存在严重的整体腐蚀，腐蚀较均匀，管壁厚度总体减薄量<5%。腐蚀产物对基管内壁能够形成一定的保护膜，可以减缓对基材的腐蚀速率，起到保护金属的作用。因此通过检测可以排除因腐蚀造成管束失效的因素，造成泄漏的主要原因还是因为冲蚀腐蚀。

3 管束失效具体因素分析

3.1 冲蚀腐蚀的反应机理及影响因素

冲蚀腐蚀又称为磨损腐蚀。是材料受冲刷和腐蚀双重相互作用的结果，属于局部腐蚀范围。影响冲蚀腐蚀的主要因素有流体力学因素（流速）、材料性能因素（耐蚀性）和介质性质方面因素。

3.2 流速对冲蚀腐蚀的影响：

空冷内介质流动通常会对管束基管产生两种结果：质量传递效应和表面切应力效应。因此流速对冲蚀腐蚀起着重要的作用。介质冲刷能够影响介质溶解氧、硫的传输速度，流速的提高将促进氧、硫等腐蚀介质与金属表面充分接触，促进腐蚀并产生腐蚀物，腐蚀产物能够在金属表面形成钝化膜保护金属，介质一定的流速有利于钝化膜形成和修复。当介质中存有固相颗粒（或高浓度液滴）时，在流体冲击管束内壁金属表面过程中随着流速的提高，介质对管束切力矩作用增加，冲刷的机械作用将钝化保护膜（腐蚀产物）不断变薄或破坏，使钝化膜从金属表面剥离，并且在新的金属表面产生划痕，使腐蚀加剧。通过介质在空冷管束入口衬管末端突扩管口式结构的模拟数据分析计算（如图10所示），在衬管的末端管径扩大区域，介质的流速会急剧增大，并且在扩径区域形成湍流区。这种现象在介质流速越大时变化越显著。同时随着流速的增加在突扩管口附近的冲蚀腐蚀速率最大（如图10、图11所示），这个计算腐蚀结果与失效管束现场宏观检查（图5、图6）的结果是相吻合。通过上述分析，空冷基管内介质在衬管末端突扩管区域流速突然增高条件下，介质对管束内表面产生的剪切力增大，同时结晶固体颗粒撞击金属表面的速度和频率都增加，金属从新暴露进一步产生新的腐蚀产物，如此循环造成冲刷腐蚀加剧，空冷基管在该区域不断减薄，最终导致爆管失效。

3.3 流体流态对冲刷腐蚀的影响

介质流态取决于流速、流体性质（粘度、密度等）和管道的结构特征（凸点、扩管区、焊接缝隙等）。流体的流动状态分为层流和湍流，層流时，供腐蚀量较小，能够形成金属钝化膜。同时介质流动对金属的剪切应力小，不会破坏金属保护膜。湍流能够加速腐蚀产物的转移，而且增加了流体对金属表面的剪切应力，进一步促进冲刷腐蚀。通过采用CFD方法对高压空冷器管箱内流动情况进行分析，计算得出管箱内流体流动情况（如图12所示）。

介质在空冷入口法兰短接管两侧形成较为强烈的涡流区，对管束入口形成不利的剪切冲刷流动，由于涡流作用，涡流区内管束入口存在较大对管束内壁的冲击动量，会对基管内壁产生严重的冲蚀腐蚀;同时，涡流速度矢量与管箱平行，具有较强的剪切冲刷作用，将造成管束入口与管板胀接处的剪切腐蚀。事例中空冷第二次泄漏的位置正是处于管箱连接处（如图8、图9所示），涡流冲蚀腐蚀造成基管末端与管箱的焊缝局部减薄泄漏。事例中第二次空冷泄漏现场检查结果与CFD方法分析的结论相一致。

3.4 冲刷角度对冲刷腐蚀的影响

介质冲刷作用在金属内壁上的力可分为垂直和水平分量。水平分量对冲刷面产生切削作用，而垂直分量对冲刷面产生撞击。随着冲刷角度的变化，两种损伤机制会此消彼长。因此在某一冲刷角度，微切削和撞击共同作用产生的损伤最大。90年代初国内某加氢装置开工初期采用进口和国产高压空冷并用的设计形式。引进的进口高压空冷管束在管程入口增加的衬管末端进行机加切削，衬管内壁形成约450倾角，而国产空冷衬管尾端未进行加工，结构为直角且局部存在毛刺。投产后出现的管束失效问题都发生在国产管束上。本文案例中第一次空冷失效基管的衬管尾端同样未进行特殊处理（如图4所示），同时衬管内径与基管内径径向间存在>1mm的直口扩径。通过模拟计算分析，这种直口突扩管结构是流体介质冲蚀结构最严重的结构形式。对管束入口衬管尾端结构模拟计算分析相比，确定结构为1：4锥度的流体特性，流体湍流强度和对管壁面剪切力的冲蚀腐蚀损伤最小。因此空冷管束衬管末端进行变径过度加工处理有助于减缓冲刷腐蚀速率。

4 高压空冷管束材料的选择

4.1 材料因素

高压空冷基管材料抵抗冲蚀腐蚀的能力主要与材料耐蚀性和机械性能（尤其是硬度）有关，同时也与材料的表面膜的形成难易有关，国内自高压空冷国产化以来普遍采用碳钢材料，10#碳素钢是耐腐蚀的成熟钢种，在加氢装置广泛采用。随着使用经验和研究成果的积累，尤其是2000年以来高压空冷失效问题的频频发生，行业内在设计选材方面经过中和衡量，更加注重材料的耐磨性和耐蚀性，基管材料要有良好的耐蚀性还要具备良好的硬度。通常材料的硬度越高，耐冲刷性能越强，但耐腐蚀能力并不一定强，因此对材料的硬度和耐蚀性的兼容考虑。API932推荐加氢高压空冷基管选材为Inconel625或C276、UNSN08825高合金，Chevron推荐基管材质为UNSN08825，UOP推荐选材为Inconel625，考虑到空冷介质会产生点蚀和应力腐蚀的风险，应避免使用奥氏体不锈钢。国内目前加氢裂化装置较多的是选用UNSN08825作为高压空冷基管，UNSN08825具有更高的合金成分和稳定成分，能防止点蚀（Cl-在50ppm以下工况）和应力腐蚀，国外有超过15年以上的长期使用经验。

4.2 UNSN08825与碳钢材料性能对比

UNSN08825是一种添加了钼、铜和钛的镍铁铬奥氏体合金。铬（Cr）能显著提高强度、硬度和耐磨性。镍（Ni）能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。钼（Mo）能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。而碳素钢10#、20#都属于低碳钢，强度、硬度不高，10#的硬度要低于20#钢，前者的耐冲刷性能不如后者。表3、表4为在役加裂装置高压空冷UNSN08825材料的化学成分组成及机械性能，通过与（表2）10#碳钢基管的硬度对比，UNSN08825的硬度只有碳钢10#的一半，而材料耐蚀性要远高于碳素钢。

4.3 材料投资、结构设计等方面比较

在设备投资方面，目前国内高压空冷选用UNSN08825钢与碳钢材质的投资相比较，合金825的设备购置成本是碳钢的6-7倍。在选用UNSN08825作为基管的高压空冷结构设计方面，基于对合金825优越的耐蚀性信任以及为减小冲蚀对基管的损伤，取消了空冷管束入口端内设衬管的结构设计。

5 结论

①造成高压空冷失效的主要原因是垢下腐蚀和冲蚀腐蚀，通过合理控制注水质量、注水量以及介质流速（控制在6m/s以下）能够有效避免两种腐蚀的发生;

②高压空冷器在结构设计和设备布置上，如果管程入口设计上有内衬管，衬管末端应加工成锥形内过渡倒角，最佳锥度采用1：4，能够有效避免内衬管与基管间流场的突然变化引起流速增大及湍流，造成基管冲蚀腐蚀;

③对于分体式管箱结构的高压空冷，应重点关注管程末端基管与分体管箱的焊接质量，采用角焊缝焊接，避免端面焊接方式;

④在条件允许的情况下，优先选用耐磨性和耐腐蚀性能好的合金材料，UNSN08825等含铬（Cr）量>3%的合金能防止点腐蚀、冲蚀腐蚀。具有良好的耐冲刷腐蚀能力;

⑤高压空冷设备停工期间采用IRIS（内旋转超声检测系统）和REFC（远场涡流）等检验手段进行检测，对管程入口端、出口三通、注水点等重点薄弱区域适当增加检验覆盖范围。

参考文献：

[1]韩玉昌，蔺爱丽，熊卫平，赵亚新.加氢螺纹锁紧环换热器腐蚀及对策[J].石油化工腐蚀与防护，2009（S1）.

[2]代真，沈士明.高压空冷器管束冲刷腐蚀的研究[D].成都：西南石油学院，2005.

[3]偶国富加氢裂化空冷器管束多相流模拟与冲蚀破坏预测研究[D].北京：北京化工大学，2008.

[4]任晓光等.控制加氢裂化高压空冷器垢下腐蚀的方法探索[J].石油炼制与化工，2007（10）：48-49.

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