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煉油裝置加熱爐的腐蝕及應對措施
發布時間:2021-07-13 09:46:47
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摘要:加熱爐是煉油生產裝置的主要設備之一,除了加熱爐的熱效率和煙氣污染物排放量控制之外,隨著煉油裝置運行周期的延長,加熱爐的長周期運行越顯得重要。煉油裝置加工高硫、高酸、重質等劣質原油后,結焦和腐蝕問題已成為影響加熱爐長周期運行的重要影響因素之一。列舉了煉油裝置加熱爐存在的不同類型腐蝕案例,包括蒸餾裝置常壓爐對流段急彎彎頭腐蝕減薄、焦化裝置加熱爐爐管表面高溫氧化硫化腐蝕、減粘加熱爐輻射爐管急彎彎頭沖蝕減薄、減粘加熱爐熱電偶護套腐蝕、加熱爐煙氣硫酸露點腐蝕等,探討從選材、結構設計、生產操作、檢查維護等各方面采取措施以提高加熱爐耐腐蝕性,以及通過合理工藝和檢查維護等確保加熱爐正常運行。
不論是被加熱物料中包含的腐蝕介質,還是燃料中生成的腐蝕介質都會在加熱爐爐管內外、空氣預熱器、爐膛、煙道及附件等部位產生各式各樣的腐蝕。從工廠實踐經驗看,硫引起的腐蝕是煉油裝置加熱爐腐蝕的主要類型,其他介質如氫氣、氧氣、氯、環烷酸、金屬釩(V)、堿等也會引起加熱爐的腐蝕問題,另外機械沖刷對腐蝕過程的加速作用也不容忽視。
1 煉油裝置加熱爐腐蝕案例
1.1 蒸餾裝置常壓爐對流段急彎彎頭腐蝕
常壓爐F101對流段工況:管內介質:拔頭原油;溫度:260℃;壓力:1.2MPa;材質:碳鋼(10#);規格:25-90°-φ152×10-152II;管內流速0.35m/s(流量78t/h)。投用13a后,切開彎頭,發現受沖刷的部分減薄明顯,內表面有很多的坑,并且在內部減薄最明顯的部位覆蓋有一層光滑的黑色膜。對該層黑色膜進行電子探針能譜分析顯示該層膜主要是有機物,其他元素Fe為22%、S為14.95%,從其比例來看,主要是FeS。分析結果表明彎頭腐蝕減薄主要是管內高溫硫腐蝕+沖刷腐蝕引起的。通過對彎頭不同部位進行測厚,測厚結果顯示最薄部位主要分布在5、6、7線上(即彎頭中間受90°沖刷部位,寬約100mm),最薄處僅厚2.5mm,經核算最大平均腐蝕速率為0.58mm/a,最小平均腐蝕速率為0.13mm/a,兩者相差超過3.5倍。
1.2焦化裝置加熱爐爐管高溫腐蝕
焦化爐H-10l/2爐投用8a后,北面有7根輻射段爐管運行過程中出現外表面片狀脫落現象。該爐管材質為Cr5Mo/Cr9Mo;加熱介質為熱渣油,介質入口溫度360℃,出口溫度500℃;爐膛溫度在703~773℃之間,而北面爐膛的溫度在742℃左右。對剝落片截面進行掃描電鏡形貌觀察,發現剝落片截面總厚度約為1.5mm,內層(指靠近爐管母材部分)約厚1.1~1.2mm,其密度高,外層約厚0.3~0.4mm,結構疏松。在截面的不同部位(1#-5#)成分進行化學分析,檢測出的元素有Fe,S,Na,Cr,Si,Mg等,由外到里S的質量分數分別為33.34%、9.00b%、3.09%、2.44%、2.53%。X射線衍射表明,剝落片的主要物相是Fe304,Fe203,FeS2。經了解,運行過程中為防止爐管表面結灰,加入含Na2S04的爐管清灰劑,爐管外表面出現高溫環境下熔鹽反應,從而破壞金屬保護膜,導致高溫氧化硫化腐蝕的加劇,而存在鈉鹽的鐵的氧化物和硫化物在溫度變化較大時,就有可能出現斷裂脫落現象。
1.3減粘加熱爐輻射爐管急彎彎頭沖蝕
減粘裝置加熱爐為圓筒爐,輻射爐管分三路共108根,材質為Cr9Mo,爐管直徑為102mm,壁厚為8mm。
在燒焦結束時,發現的輻射段爐管彎頭出現破口,部分彎頭出現明顯沖刷減薄現象,從破口宏觀形貌和微觀形貌看,破口周圍也觀察不到泥漿型沖刷常見的宏觀和微觀的犁溝形貌,但微觀形貌觀察到典型的氣蝕裂紋,據此判斷,本起失效為氣蝕造成的破壞。渣油流動過程中,彎頭部位管壁或結焦層會受到巨大的沖刷,因此該處的結焦層特別薄甚至露出金屬基體,通過計算得出其Re系數為2490,此時可能形成湍流也可能形成滯流,但考慮到彎管部位形成湍流的可能性比較大,在出現湍流的情況下管壁有凹坑等缺陷部位處將出現氣蝕現象。Cr9Mo爐管正常部位組織為鐵素體+貝氏體,金相分析結果看出,因長期使用,其金相組織已發生變化,有大量的碳化物析出,導致耐沖刷能力下降。而燒焦工藝過程一般一年一次,最多幾次,每次僅為30h,燒焦過程的沖刷造成的壁厚減薄僅占整個壁厚減薄的很少部分,所以燒焦工藝不是本起失效的主要原因。
1.4減粘加熱爐熱電偶護套腐蝕
減粘加熱爐測溫熱電偶共有24個點,上、下兩層各12支,熱電偶護套材質為316。停工檢修時,發現24支熱電偶當中有3支熱電偶已完全斷裂,分別是上層的第14、24點和下層的第3點。上層12支熱電偶護套外表面迎火部分均黏附有一層較厚的氧化物,還布滿瘤狀物,有縱向裂紋,且熱電偶護套松脆、易折斷,斷口呈脆性斷裂,而下層基本上沒有脆化現象。對熱電偶護套表面上的疏松的瘤狀物進行掃描電鏡能譜成分分析和X射線衍射物相分析,能譜分析檢測到瘤狀物的成分含有元素V,質量分數為0.08%。試樣x射線衍射分析顯示瘤狀物含有NiO2,MnO2,Fe3O4,Ni3S2,SiO2,7H2O·Na2SO4和CoVO3,等化合物。經調查,生產工藝每天2次加入爐管清灰劑。為此對所用的爐管清灰劑和燃料油中Na、S、V含量進行分析,爐管清灰劑Na,S和V含量分別為0.31%、0.169%、0.05×10-4%,而燃料油Na,S和V含量分別為1.14%、1.8×10-4%、2.36×10-3%,即爐管清灰劑含有較多的S、Na元素,而燃料油中含有的S和V元素較多,結果導致熱電偶護套表面出現高溫釩腐蝕,而爐管清灰劑帶入了的鈉及燃油中的硫起了促進腐蝕的作用。
1.5加熱爐煙氣硫酸露點腐蝕
加熱爐煙氣硫酸露點腐蝕經常出現在以含硫(>1%)燃料油作為燃料的蒸餾、減粘、溶脫、焦化等裝置的加熱爐上,腐蝕位置包括(1)爐膛壁,如蒸餾二常壓爐爐膛壁的腐蝕穿孔,該爐膛襯里保溫不嚴密,燃料硫含量為2.55%。(2)空氣預熱器,表現為翅片減薄變形,嚴重部位管子也發生腐蝕變形。部分位置腐蝕產物和灰的混合物將翅片問堵塞,影響換熱效果。對其垢樣進行能譜分析,垢樣中主要含C,O,S和Fe元素,各元素所占量是C:0.69%,O:47.54%;S:19.48%,Fe:32.28%,垢樣X-射線衍射分析結果顯示主要物相是FeSO4·7H2O(水綠礬)和FeSO4·H2O,另現場測試垢樣呈強酸(pH值<4)。(3)煙囪,如溶脫加熱爐鋼煙囪頂部腐蝕穿孔。因受含硫煙氣酸露點腐蝕,煙囪頂部1.0 m左右范圍內襯里基本脫落,保溫釘亦因腐蝕而消失了。煙囪鋼結構本體腐蝕穿孔。(4)對流段釘頭管,如蒸餾一減壓爐釘頭管的腐蝕,釘頭表面有較多的硫和硫化物。
2 應對措施
從上述案例可以看出,加熱爐腐蝕主要包括爐管內被加熱介質對爐管內側腐蝕,導致爐管減薄或穿孔,同時燃料油中所含的釩金屬也在高溫部位產生熔灰腐蝕。含硫燃料燃燒過程產生的含SO2、SO3,煙氣在余熱回收系統、爐壁、煙道、對流段低溫段等部位產生的露點腐蝕問題。要解決上述腐蝕問題,應從選材、結構設計、生產操作、檢查維護等各方面采取措施以提高加熱爐耐腐蝕性。
2.1 合理選用爐管耐蝕材料
在運行中暫無有效的腐蝕監測手段來監控爐管腐蝕風險,只有選用合適的耐蝕材料,才能有效解決爐管內被加熱介質引起的環烷酸沖蝕、滲碳、硫化起磷、氫損傷等嚴重腐蝕問題。隨著高硫、高酸原油加工量增多,容易出現腐蝕比較嚴重失效情況的常減壓、延遲焦化、催化重整、制氫、加氫裂化等裝置工作溫度比較高的加熱爐爐管、急彎彎管、回彎頭要材質升級,材質不低于中石化標準SH/T3096-2001。
2.2 采用聯合手段防止或減緩露點腐蝕
煙氣露點腐蝕產生的條件是金屬表面溫度低于加熱爐煙氣露點溫度,因此,解決問題最直接的手段就是提高金屬表面的溫度,也就是提高煙氣排放溫度,使之高于煙氣露點溫度,但受加熱爐熱效率下降的制約,這僅僅是權宜之計。而眾所周知,采用低硫燃料或添加助燃劑可以抑制SO2的生成,從而降低煙氣露點溫度,是解決煙氣露點腐蝕最有效的辦法。除此之外還可在易發生露點腐蝕的空氣預熱器、煙囪、煙道及其上閥門等部位采取下述不同的防煙氣露點腐蝕措施:
(1)空氣預熱器采用ND鋼(09CrCuSb)、表面為燒結搪瓷的碳鋼、含硅鑄鐵管等耐硫酸腐蝕的材料來制造,同時采用防結垢設計、定時吹灰、在線水沖洗等防結垢手段,減緩空氣預熱器腐蝕穿孔,避免對加熱爐熱效率的影響。另外,在設計空氣預熱器時,采用增設熱風循環、增設冷風旁路、增設前置空氣預熱器(即用外來熱源先預熱空氣)等手段來提高空氣預熱器表面溫度,從而減輕露點腐蝕。
(2)爐體內壁、煙道、煙囪等部位在安裝耐熱襯里前,在金屬表面噴涂一層防露點腐蝕專用涂料,預防這些部位內壁和保溫釘受到煙氣露點腐蝕,保證襯里最低安全使用壽命達到8a~10a,對此API560也做出了明確規定,當采用陶瓷纖維類耐火材料時,若燃料中的硫含量超過10μg/g時,需在爐壁板內側涂一層耐酸性介質腐蝕的涂料。另外,采用阻氣層+耐火層的復合襯里可防止含S02,煙氣滲透到外表面沒有保溫的鋼結構金屬表面。鋼煙囪也可以采用有保溫的結構來提高鋼表面溫度,煙囪頂部采用加“帽子”的結構減緩雨雪天對煙囪局部的降溫作用。
2.3 工藝控制
(1)操作中應嚴格遵守操作規程及加熱爐工藝指標,保證加熱爐在設計允許的范圍內運行,嚴禁超溫、超壓、超負荷。當爐管材質升級不到位時,應控制裝置進料的硫含量、酸值等指標低于裝置設計值,若要提高裝置進料的硫含量、酸值,需通過腐蝕風險評估來確定。
(2)含硫燃料氣應經脫硫裝置脫硫,控制燃料氣中總硫含量應不大于100μg/g;若采用燃料油作為加熱爐的燃料,燃料油中總硫含量應不大于1%。要合理控制物料進料溫度,并盡量避免過低負荷運行(過低負荷一般指低于設計負荷的60%),確保爐管壁溫、空氣預熱器等部位溫度高于煙氣露點溫度。若燃料含硫量偏離設計值較大,則應進行標定和煙氣露點測試,然后確定加熱爐合理的煙氣排放溫度。
(3)盡量避免采用含釩、鈉高的油品作為加熱爐燃料,同時慎用含鈉的爐灰清灰劑,避免高溫釩熔融腐蝕。依據API560,當溫度超過650℃,且燃料中釩和鈉的總含量超過100μg/g時,就可能發生高溫釩腐蝕,此時只有高鉻高鎳合金(50Cr-50Ni-Cb)才有足夠的耐蝕性。
2.4維護檢查
(1)按照煉油加熱爐運行管理規定,定期對加熱爐工藝指標進行監督,重點是燃料含硫量、超溫、超壓情況、被加熱介質性質的變化,煙氣排放溫度等,同時采用高溫紅外測溫儀、熱成像儀等儀器定期檢測爐管溫度局部超溫情況,也采用熱成像儀對加熱爐爐壁、煙道的襯里完好性進行定期檢測,提高對加熱爐的腐蝕情況進行預防性認知。另外,日常巡檢時,加強對煙道上采樣口、儀表接管等未進行保溫的小管線檢查,及時修復被腐蝕的小管線。
(2)停工檢修時,采用超聲波測厚檢查爐管、彎管的腐蝕、沖刷、爆皮情況,當管壁厚度小于計算允許值時,及時更換減薄的爐管,必要時進行金相檢驗,若金相組織有晶界氧化、嚴重球化、脫碳、晶間裂紋等缺陷,也需及時更換有缺陷的爐管,提高其耐蝕能力。另外,檢修時檢查空氣預熱器換熱管、煙囪、煙道、風道及其上閥門的腐蝕、結垢及襯里完好情況,及時清洗空氣預熱器換熱管上的結垢,修復脫落或開裂的襯里,更換已腐蝕嚴重的部件,降低這些部位發生煙氣露點腐蝕的風險。
(3)停工前,對加氫裝置加熱爐按規范進行堿洗,防止連多硫酸造成奧氏體不銹鋼爐管應力腐蝕開裂。
3 結束語
加熱爐腐蝕是影響加熱爐長周期運行的一個重要問題,實踐證明要解決加熱爐的腐蝕問題是一個系統工程,從設汁、建造到使用、維護、檢查、維修等整個全壽命周期各個環節,都需要從技術上采取不同的應對措施消除各種可能產生腐蝕的因素,才能避免腐蝕發生,保證加熱爐長周期運行。
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