換熱設(shè)備腐蝕與防護措施

換熱設(shè)備腐蝕與防護措施站內(nèi)換熱設(shè)備腐蝕情況01換熱設(shè)備基本情況換熱設(shè)備服役的工況及管束內(nèi)外的腐蝕性介質(zhì)由設(shè)備所處工藝單元決定，是換熱設(shè)備腐蝕失效的主要影響因素。站內(nèi)換熱設(shè)備服役介質(zhì)主要分為三類：(1)含水油氣介質(zhì)(包括含水原油、凝析油和含水天然氣)；(2)貧胺液/富胺液；(3)循環(huán)水介質(zhì)。換熱設(shè)備類型、材質(zhì)和介質(zhì)環(huán)境見表1。對于運行介質(zhì)為油氣的換熱設(shè)備，大局部腐蝕失效發(fā)生于靠近原料氣/原油進站位置。由于原料氣未經(jīng)氣液別離或干燥處理，原油含水率較高以及凝析油未經(jīng)穩(wěn)定處理，油氣介質(zhì)中含有一定量的油田采出水，采出水的腐蝕性較強，其礦化度和C1-含量等較高，pH值較低，并含有一定量的CO2和H2s等酸性氣體。此類換熱設(shè)備包括壓縮機前置空冷器、壓縮機后置空冷器、原料氣冷卻器、天然氣冰機和再生氣冷卻器等，主要分布于凝析油穩(wěn)定單元、原料氣增壓單元及脫水單元。對于運行介質(zhì)為貧胺液/富胺液的換熱設(shè)備，介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性鹽以及CO2和H2s等酸性氣體均會導(dǎo)致管束腐蝕的發(fā)生，在拉應(yīng)力的作用下，還可能使設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。此類換熱設(shè)備包括再生塔底重沸器和貧富胺液換熱器等。對于運行介質(zhì)為循環(huán)水的換熱設(shè)備，介質(zhì)中含有一定的溶解氧，造成溶解氧腐蝕，另外隨著換熱過程的不斷進行，介質(zhì)逐漸被濃縮，導(dǎo)致其礦化度提高，結(jié)垢可能性大大提高，垢下腐蝕風險增加。此類換熱設(shè)備包括外表蒸發(fā)式換熱器和輕燒后冷器等，主要分布于制冷單元和分鐳單元。02換熱設(shè)備腐蝕規(guī)律塔河油田采出液中含有大量的C02,H2S和C1-等腐蝕性介質(zhì)，腐蝕環(huán)境苛刻，站內(nèi)換熱設(shè)備的腐蝕失效問題十分突出。從圖1可以看出，換熱設(shè)備失效類型以局部腐蝕為主，腐蝕減薄和脹裂失效數(shù)量較少。受設(shè)備安裝施工與生產(chǎn)工藝的影響，含水油氣介質(zhì)中的水容易積聚于換熱設(shè)備底層或分程隔板處，導(dǎo)致其腐蝕環(huán)境更為苛刻，造成該處的管束及管束-管板焊縫位置腐蝕穿孔更為頻繁（見圖2）。站內(nèi)換熱設(shè)備管程材質(zhì)以10號、20號和16Mn為主，少數(shù)采用304,316L和2205,管板主要材質(zhì)為16MnHI和Q235R,局部管板堆焊不銹鋼材質(zhì)；殼程材質(zhì)以Q345R和Q245R為主。由圖3可見，換熱設(shè)備的腐蝕失效與管束材質(zhì)有關(guān)，10號、20號和16Mn等鋼材腐蝕失效數(shù)量最多，其次為316L不銹鋼。雙相不銹鋼、鋅鋁共滲及銀磷鍍內(nèi)防腐管束應(yīng)用較少，但也有失效。站內(nèi)換熱設(shè)備腐蝕原因分析01腐蝕介質(zhì)的影響換熱設(shè)備的腐蝕失效與服役介質(zhì)密切相關(guān)。油氣介質(zhì)為未經(jīng)脫水的原油和天然氣，介質(zhì)中含有一定量的油田采出水，采出水的腐蝕性較強，其礦化度和C1-含量等普遍較高，pH值較低，并含有一定量的C02和H2s酸性氣體。在通常情況下，原油對金屬的腐蝕性很弱，當原油含水率較低時，即使采出水礦化度高，其腐蝕性仍然較弱，但隨著原油含水率的上升，其腐蝕性增強。當原油含水質(zhì)量分數(shù)上升到85%及以上時，16Mn鋼的腐蝕速率明顯升高，試驗結(jié)果見圖4。在胺液介質(zhì)換熱設(shè)備中，富胺液中含有大量的H2S,會對設(shè)備管束造成嚴重的腐蝕；而在設(shè)備長期運行過程中，胺液也會發(fā)生熱降解生成熱穩(wěn)定性鹽，導(dǎo)致管束發(fā)生腐蝕失效。循環(huán)水換熱設(shè)備的腐蝕失效多與循環(huán)水的處理有關(guān)，如采用未經(jīng)軟化的循環(huán)水以及經(jīng)過曝氧的循環(huán)水等。其中管束本體失效案例僅見于20號碳鋼管束，將管束材質(zhì)更換為316L不銹鋼后，管束服役Ha未發(fā)生失效。伴隨著循環(huán)水換熱設(shè)備管束腐蝕失效，循環(huán)水結(jié)垢問題也十分突出。采用OLIScaleChem軟件對塔河油田未經(jīng)軟化的循環(huán)水的結(jié)垢傾向進行了計算，結(jié)果說明，未經(jīng)軟化的循環(huán)水存在嚴重的碳酸鈣、硫酸鈣、碳酸亞鐵及氫氧化鎂結(jié)垢傾向，且碳酸鈣結(jié)垢傾向尤為嚴重。隨著溫度的上升，結(jié)垢傾向迅速增大，設(shè)備結(jié)垢越來越嚴重，垢層大量沉積，從而增加了垢下腐蝕及細菌腐蝕的風險。02換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響管殼式換熱設(shè)備管束-管板焊接接頭的典型結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致管束-管板焊縫處發(fā)生頻繁失效，其結(jié)構(gòu)主要為角接接頭，由于接頭處的管束會伸出管板局部長度，導(dǎo)致焊接后焊縫高于管板，焊縫與管板之間形成三角區(qū)，當換熱設(shè)備管程介質(zhì)中含有成垢離子時，該區(qū)域容易發(fā)生垢層沉積。與臥式換熱設(shè)備相比，立式換熱設(shè)備結(jié)垢風險更高。03焊接工藝的影響管束、管板、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)等部位的組織及化學(xué)成分由母材、焊材和焊接工藝共同決定。通常管束、管板和焊絲的選擇參照相關(guān)壓力容器焊接標準即可，但當焊接工藝參數(shù)（焊接電流、電壓和熱輸入等）選擇不當時，會導(dǎo)致某些區(qū)域的組織及化學(xué)成分不理想，特別是對于不銹鋼，焊接不當時會導(dǎo)致其晶間腐蝕的可能性增加。相對于管板及管束，焊縫處的面積要小很多，當焊縫處電位較低時，焊縫與管束或管板形成“大陰極小陽極”電偶，加速焊接接頭處的腐蝕，最終導(dǎo)致焊縫失效。04安裝位置及生產(chǎn)管理的影響換熱設(shè)備安裝位置與生產(chǎn)運行方式不當也會導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備發(fā)生腐蝕失效，其典型案例為輕煌站天然氣冰機蒸發(fā)器。由于該蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝控制不當，設(shè)備安裝位置不合理，引發(fā)積水以及單質(zhì)硫沉積，介質(zhì)腐蝕性較強，造成其管束腐蝕穿孔失效。站內(nèi)換熱設(shè)備防護措施01選材設(shè)計當換熱設(shè)備管束接觸介質(zhì)為含水油氣時，其腐蝕主要影響因素為油氣含水率和采出水礦化度。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗及試驗結(jié)果，假設(shè)油氣含水率和采出水礦化度低，可采用碳鋼或低合金鋼作為管束材質(zhì)；假設(shè)油氣含水率和采出水礦化度高，推薦選用316L作為管束材質(zhì)，并對其進行防砂、防垢或定期除垢處理。另外，為了降低介質(zhì)的腐蝕性，油氣在進入換熱管束前應(yīng)進行脫水處理。當換熱設(shè)備管束接觸介質(zhì)為貧胺液時，其中的H2s和C02含量較低，介質(zhì)腐蝕性較弱，可選擇碳鋼或低合金鋼；假設(shè)介質(zhì)為富胺液，其中的H2s和C02含量較高，介質(zhì)腐蝕性較強，建議選用316L,但是需要特別關(guān)注316L焊縫的應(yīng)力腐蝕開裂問題。對于再生塔頂空冷器316L及鍍鎂層管束，均有大量的失效案例，建議采用鈦合金管束進行替代。在循環(huán)水介質(zhì)環(huán)境中，設(shè)備管束腐蝕主要影響因素為循環(huán)水的水質(zhì)。假設(shè)循環(huán)水采用軟化水，且當系統(tǒng)封閉、無曝氧風險時，推薦采用20號鋼；但當系統(tǒng)敞開、有曝氧風險時，那么需要采用除氧劑進行除氧后選用20號鋼。假設(shè)未使用軟化水，那么推薦采用316L不銹鋼。02結(jié)構(gòu)優(yōu)化針對有一定結(jié)垢傾向和結(jié)垢歷史的臥式換熱設(shè)備以及立式換熱設(shè)備，采用內(nèi)伸式角接接頭結(jié)構(gòu)和強度焊接的方式進行焊接。此種接頭焊縫比擬平整，焊縫與管板之間不會形成三角凹陷區(qū)，垢層不易積聚，可以有效減緩垢下腐蝕。03涂層防護為了解決站內(nèi)換熱設(shè)備的腐蝕失效問題，可以將設(shè)備材質(zhì)升級為不銹鋼，但不銹鋼價格昂貴，本錢過高，導(dǎo)熱性能不如碳鋼，并且無法解決結(jié)垢問題。因此，與材質(zhì)升級相比，采用耐高溫防腐涂料是解決換熱設(shè)備腐蝕及結(jié)垢問題更加經(jīng)濟和可行的方法。酚醛樹脂類涂層堅硬耐磨，耐非氧化性酸、酸性氣體和有機溶劑，但在高濃度的堿和濕氯氣介質(zhì)下不穩(wěn)定；改性環(huán)氧酚醛類涂層堅硬光亮、致密性好、防垢性好，耐酸、堿、鹽和有機溶劑性能突出；有機硅類涂層本錢低、耐溫效果顯著、耐氧化性好、阻垢性好、導(dǎo)熱性好，適用于防腐涂層的大面積施工工藝，目前應(yīng)用較為普遍；無機-有機復(fù)合樹脂涂層柔性好、堅硬光亮、導(dǎo)熱性好，耐酸、堿、鹽和有機溶劑性能好；環(huán)氧胺基類涂層堅硬光滑、附著力強，耐酸堿、耐油、耐水、耐溶劑和抗沖擊等性能突出。為了確保涂層優(yōu)異的防護效果，防止因涂層性能欠佳及施工質(zhì)量較差而導(dǎo)致設(shè)備的腐蝕失效問題，應(yīng)依據(jù)SH/T3540-2018標準附錄A中的推薦，選用適宜的涂層體系與涂覆厚度，并嚴格按照標準進行施工與驗收。04管理優(yōu)化進一步規(guī)范細化定期檢修和清理制度，并嚴格執(zhí)行，對換熱設(shè)備進行定期檢維修，發(fā)現(xiàn)平安隱患及時處理。對換熱設(shè)備進行定期清洗除垢，減輕垢下腐蝕，防止換熱效率下降，對服役時間較長和壁厚減薄嚴重的換熱設(shè)備進行定期更換。05防護措施現(xiàn)場應(yīng)用①天然氣冰機蒸發(fā)器對塔河油田輕煌站天然氣冰機蒸發(fā)器進行檢查，發(fā)現(xiàn)管束冷凝水積存處穿孔泄漏。從工藝介質(zhì)和設(shè)備安裝等角度考慮，并結(jié)合腐蝕產(chǎn)物分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備失效的主要原因在于：冰機蒸發(fā)器安裝位置較低，且原料氣走殼程，制冷劑走管程，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部有較多冷凝水積存，同時有局部單質(zhì)硫沉積和溶解氧存在，介質(zhì)腐蝕性較強，最終使設(shè)備發(fā)生腐蝕失效?；谏鲜龇治?，采取以下整改措施：(1)將設(shè)備安裝位置從地面放置改為平臺放置，較原安裝位置升高3.6米，防止了低位積液問題；(2)調(diào)整工藝流程，將制冷劑改走殼程，原料氣改走管程，利用高流速的原料氣攜帶走冷凝液，降低冷凝液腐蝕的可能性；(3)定期開展原料氣中溶解氧含量檢測，減少單質(zhì)硫的析出。采取整改措施后，天然氣冰機蒸發(fā)器投用18個月后未發(fā)生腐蝕失效問題，有效保證了天然氣冷凝效果。②循環(huán)水系統(tǒng)換熱器針對循環(huán)水系統(tǒng)換熱器，采取以下防護措施：(1)將管束材質(zhì)更換為316L,其耐蝕性能優(yōu)于碳鋼；(2)將循環(huán)水系統(tǒng)改造為密閉流程，并增設(shè)膨脹罐，隔絕氧氣進入系統(tǒng)，解決了溶解氧帶來的腐蝕問題；