發(fā)表時間： 2025-01-11 15:27:23
作者： 石油化工設(shè)備維護與檢修網(wǎng)
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導 讀：近年來，隨著深井與超深井含硫油氣藏的開發(fā)，介質(zhì)腐蝕性增強，井下管柱、工具與地面生產(chǎn)設(shè)施腐蝕嚴重。此外，隨著注采工藝的變化和含水率的上升，腐蝕環(huán)境變得更為苛刻，進一步加劇了站內(nèi)油氣設(shè)施的腐蝕。塔河油田采出液中含有大量的CO2，H2S和Cl-等腐蝕性介質(zhì)，屬于典型的H2O-CO2-H2S-Cl-電化學腐蝕環(huán)境體系，腐蝕環(huán)境苛刻，而換熱設(shè)備管束多采用碳鋼材質(zhì)，由于材質(zhì)耐蝕性能較差，換熱設(shè)備腐蝕穿孔泄漏呈現(xiàn)逐年上升趨勢，造成設(shè)備停產(chǎn)和檢修頻繁。針對塔河油田站內(nèi)換熱設(shè)備的腐蝕與防護，開展腐蝕規(guī)律研究，明確其腐蝕主控因素，優(yōu)選出適宜的防護措施，指導換熱設(shè)備的選材及防護。
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，大部分腐蝕失效發(fā)生于靠近原料氣/原油進站位置。由于原料氣未經(jīng)氣液分離或干燥處理，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Cl-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等酸性氣體均會導致管束腐蝕的發(fā)生，在拉應力的作用下，還可能使設(shè)備發(fā)生應力腐蝕開裂。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)備包括表面蒸發(fā)式換熱器和輕烴后冷器等，主要分布于制冷單元和分餾單元。
02.換熱設(shè)備腐蝕規(guī)律
塔河油田采出液中含有大量的CO2，H2S和Cl-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16MnII，16MnIII和Q235Ｒ，部分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、鋅鋁共滲及鎳磷鍍內(nèi)防腐管束應用較少，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Cl-含量等普遍較高，pH值較低，并含有一定量的CO2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11a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)果表明，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部分長度，導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，會導致某些區(qū)域的組織及化學成分不理想，特別是對于不銹鋼，焊接不當時會導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致?lián)Q熱設(shè)備發(fā)生腐蝕失效，其典型案例為輕烴站天然氣冰機蒸發(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)場應用經(jīng)驗及試驗結(jié)果，若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)；若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CO2含量較低，介質(zhì)腐蝕性較弱，可選擇碳鋼或低合金鋼；若介質(zhì)為富胺液，其中的H2S和CO2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焊縫的應力腐蝕開裂問題。對于再生塔頂空冷器316L及鍍鎳層管束，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)。若循環(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，則需要采用除氧劑進行除氧后選用20號鋼。若未使用軟化水，則推薦采用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。此種接頭焊縫比較平整，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，成本過高，導熱性能不如碳鋼，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)濟和可行的辦法。
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；有機硅類涂層成本低、耐溫效果顯著、耐氧化性好、阻垢性好、導熱性好，適用于防腐涂層的大面積施工工藝，目前應用較為普遍；無機-有機復合樹脂涂層柔性好、堅硬光亮、導熱性好，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，避免因涂層性能欠佳及施工質(zhì)量較差而導致設(shè)備的腐蝕失效問題，應依據(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)安全隱患及時處理。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)場應用
①天然氣冰機蒸發(fā)器
對塔河油田輕烴站天然氣冰機蒸發(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，導致設(shè)備內(nèi)部有較多冷凝水積存，同時有部分單質(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。基于上述分析，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，避免了低位積液問題；
（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；
（3）保障水質(zhì)，循環(huán)冷卻水采用軟化水，降低其結(jié)垢可能性，減輕了管束表面在高溫環(huán)境下的結(jié)垢沉積和垢下腐蝕；
（4）在循環(huán)冷卻水進口安裝防垢裝置，進一步解決了管束表面的結(jié)垢問題。
采取防護措施后，減輕了管束表面的結(jié)垢沉積和垢下腐蝕，提高了管束換熱效率，僅半年換熱能耗下降5.3%，設(shè)備制冷效果得到大幅度提升，出口溫度下降0.5℃，日均增產(chǎn)輕烴0.1t和液化氣0.3t，減少了設(shè)備異常停機次數(shù)。
結(jié)論與建議
（1）塔河油田換熱設(shè)備的腐蝕失效問題集中在管束本體以及管束與管板的焊縫位置，服役介質(zhì)多為含水油氣介質(zhì)和循環(huán)水介質(zhì)。
（2）塔河油田換熱設(shè)備的失效不僅與換熱設(shè)備材質(zhì)、服役介質(zhì)有關(guān)，而且與換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工過程的焊接工藝、現(xiàn)場安裝及管理等有關(guān)。
（3）從換熱設(shè)備選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、涂層防護以及安裝施工和現(xiàn)場管理等方面形成了換熱設(shè)備防護技術(shù)方案。
（4）防護技術(shù)成果在塔河油田現(xiàn)場應用后，有效抑制了換熱設(shè)備管束腐蝕，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，保障了生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)運行。
