База кейсов по коррозии. Обмен опытом | Система отбора аммиака с бокового вывода установки кислотной паро‑воздушной стабилизации — щелочная кислотная коррозия воды

Фон

В установке паро‑газовой очистки кислой воды одного предприятия произошли утечки из вторичного и третичного конденсационных охладителей; вторичный конденсационный охладитель уже подвергался утечкам семь раз, а третичный — пять раз. В связи с этим материал трубок теплообменных пакетов обоих охладителей был заменён с марки 10# на S22053. Спустя восемь месяцев эксплуатации третичный конденсационный охладитель вновь дал утечку. Основные сведения об оборудовании следующие:

 

Состояние проверки и обследования на коррозию

1. Результаты проверки на коррозию со стороны трубного пучка

После вскрытия оборудования при осмотре выявлено выражённое отложение накипи (вязкая, серого цвета) на верхней части трубного пучка и в трубных решётках с западной стороны; в некоторых трубных отверстиях отложение достигает почти одной трети площади поперечного сечения. На нижней части трубного пучка, а также на трубных решётках и трубных отверстиях с восточной стороны отложение накипи незначительно; см. рис. 2‑1.

 

Рис. 2‑1 Морфология отложений накипи в трубной решётке и на трубных патрубках до очистки

После простой промывки при осмотре не выявлено выраженных признаков коррозии на трубной решётке и в местах выхода труб; см. рис. 2‑2.

Рис. 2‑2 Морфология трубной решётки после очистки

Внутри трубного пучка отмечается налёт белого цвета, см. рис. 2–3.

Рис. 2‑3 Морфология внутри трубного пучка

В ходе проверки и гидравлического испытания было выявлено в общей сложности 6 утечек в теплообменных трубах: по 3 утечки в первом и во втором трубных пучках. Судя по характеру повреждений, пробоины преимущественно обусловлены коррозией на внешней поверхности труб. Выявленные места пробоин расположены как вблизи западной трубной решётки, так и вблизи восточной; расстояние от трубной решётки составляет от 410 до 2050 мм; размеры пробоин различны; см. рис. 2–4.

   

 

Рис. 2‑4. Расположение и морфология пробоин в трубках теплообменника, подвергшихся утечке

2. Результаты проверки на коррозию со стороны оболочки

На наружной поверхности пучка труб трёхступенчатого конденсационного охладителя местами отмечается налёт чёрного цвета; у основания слой отложений более толстый. Кроме того, на отдельных участках поверхности пучка обнаружены белые точечные образования. При осмотре наружной поверхности пучка явных признаков коррозии не выявлено (см. рис. 2–5). Измерения толщины стенок теплообменных труб показали значения в пределах 2,3–2,5 мм (проектная толщина стенки — 2,5 мм); существенного истончения стенок не зафиксировано.

Рис. 2‑5. Морфология наружной поверхности пучка труб

В средней и нижней частях входных сторон обеих торцов корпуса наблюдается выраженная равномерная коррозионная утоньшённость; имеются несколько вертикальных канавок, сопровождающихся питтинговой коррозией; на поверхности отмечается скопление чёрного налёта. Глубина канавок в наиболее углублённых участках составляет примерно 3–8 мм. Коррозионное утоньшение к внутренней части обоих торцов постепенно замедляется; на верхнем входном отверстии явной коррозии не выявлено. Подробности — см. рис. 2‑6.

Рис. 2‑6 Морфология коррозии корпуса

3. Состояние вихретокового контроля трубных пучков

Согласно результатам вихретокового контроля данного трёхступенчатого конденсационного охладителя, всего проверено 582 трубки теплообменника (из общего числа 588); из них 110 трубок имеют потерю толщины стенки свыше 60%, 51 трубка — от 40% до 60%, а 22 трубки — от 30% до 40%; остальные трубки демонстрируют потерю толщины стенки менее 30%. Трубки с потерей толщины стенки более 40% и с пробоинами составляют 28,4% от общего числа трубок; при этом подавляющее большинство таких дефектов сосредоточено в нижней части трубопровода, где они занимают 55,1% от общего числа трубок в этой зоне; подробности см. на рис. 2‑7.

 

Рис. 2‑7 Результаты вихретокового контроля трёхступенчатого конденсационного охладителя Карта распространения и некоторые схемы

4 Макроскопическое и низкоувеличительное исследование морфологии

Из трёхступенчатого конденсационного охладителя была вырезана трубная пучка длиной 1700 мм для проведения осмотра; она была разделена на 17 зон, расположенных слева направо (по 100 мм в каждой); на внешней поверхности исследуемой трубной пучки в различных зонах наблюдались различные дефекты (состояние повреждений), см. рис. 2‑8.

 

Внешняя поверхность трубок в зоне 1 в основном гладкая; выраженных очагов коррозии и трещин не обнаружено, см. рис. 2‑9.

 

На наружной стенке пучка труб в зоне 3 наблюдаются небольшие коррозионные ямки, что приводит к изменению высоты (толщины стенки) наружной поверхности пучка; см. рис. 2‑10.

 

На внешней стенке трубок в зоне 7 наблюдаются выраженные кольцевые канавки и заметные изменения высоты наружной поверхности; см. рис. 2‑11.

 

На наружной стенке трубок в зоне 9 наблюдаются выраженные ямки, а также следы эрозии, вызванной воздействием жидкости; см. рис. 2‑12.

 

На наружных стенках трубок в зонах 10 и 15 наблюдаются ячеистые коррозионные поражения и уменьшение толщины стенки; см. рис. 2‑13 и 2‑14.

 

В целом повреждения трубных пучков наблюдаются на их наружной поверхности и проявляются в виде коррозионных ям, расположенных в различных участках наружной стенки; эти ямы бывают как плотно сосредоточенными, так и рассеянно распределёнными. По своему характеру они могут отражать признаки подналётной коррозии либо эрозионной коррозии. Возникновение и развитие таких ям приводят к неравномерному утончению стенок труб пучка — от наружной части к внутренней — вплоть до образования пробоин и утечек.

 

 

Рис. 2‑8 Макроскопическая морфология наружной поверхности проверяемого трубного пучка

 

 

Рис. 2‑9 Низкомагнитная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 1)

 

Рис. 2‑10 Низкомагнитная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 3)

 

Рис. 2‑11 Низкоувеличительная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 7)

 

Рис. 2‑12 Низкомагнитная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 9)

 

Рис. 2‑13 Низкомагнитная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 10)

 

Рис. 2‑14. Низкоувеличительная морфология наружной поверхности пучка труб (зона 15)

Состояние технологического процесса

Боковой отбор газа из кислотного водяного дефлегматора осуществляется с 18‑го, 20‑го и 22‑го поддонов основного дефлегматора; после трёхступенчатого конденсирования и охлаждения — первая ступень — за счёт теплообмена с исходной водой, вторая — за счёт охлаждения очищенной водой, третья — за счёт охлаждения циркуляционной водой — и трёхступенчатого разделения конденсата получается грубый аммиак высокой концентрации; подробная схема процесса приведена на рис. 3‑1.

Рис. 3‑1 Схема технологического процесса, на которой показан трёхступенчатый конденсационный охладитель E‑0207

Анализ коррозии

Причиной выхода трубного пучка из строя является коррозия среды в межтрубном пространстве, обусловленная присутствием H2S, NH3 и H2O, а также поднагарная коррозия. Судя по характеру коррозии, основными повреждениями являются точечные и ямочные дефекты на внешней поверхности трубного пучка; после образования пробоин происходит утечка межтрубной среды в трубный пучок и его эрозионное разрушение.

 

Во внутреннее пространство конденсатора подаётся обогащённый аммиаком газ с температурой около 90 °C; на выходе получается обогащённый аммиаком газ и конденсат при температуре примерно 40 °C; массовая доля аммиака в газовой фазе составляет не менее 70 %. В системе, где присутствуют одновременно аммиак и сероводород, массовая доля сероводорода в газовой фазе крайне низка, что приводит к образованию сульфид-гидрогената аммония (NH4HS), вызывающего коррозию в установке по отпару кислых вод. Концентрация и скорость потока водного раствора NH4HS влияют на скорость коррозии: увеличение скорости потока не только повышает скорость коррозии, но и вызывает эрозионную коррозию вследствие смывания аммониевых солей. При температуре ниже 120 °C сульфид‑гидрогенат аммония выпадает в виде кристаллов; в местах с низкой скоростью потока легко образуются отложения, приводящие к засорению оборудования, а также к подотложенийной коррозии.

 

В установке присутствуют двухфазные системы аммиак‑жидкость; коррозия преимущественно локализуется в зоне первичного конденсата, в местах протекания жидкой фазы — особенно при изменении направления потока — и в зонах отложения отложений. При высокой концентрации NH4HS и значительной скорости потока даже материалы с относительно высокой стойкостью к коррозии подвергаются интенсивной коррозии. Эрозионное воздействие растворов аммониевых солей приводит к отслаиванию продуктов коррозии: чем сильнее эрозия, тем больше отслаивается, и обнажённая свежая активная поверхность вновь способствует развитию коррозии. Такой циклический процесс ускоряет коррозию оборудования: происходит непрерывное разрушение, отслаивание, уменьшение толщины стенок и, в конечном счёте, образование пробоин и разрушение.

 

Несмотря на то что в трубных пучках конденсационно‑охладительных аппаратов применяется высокостойкая к коррозии двухфазная нержавеющая сталь 2205, повышение концентрации H₂S в конденсате и увеличение скорости потока усиливают коррозионные процессы; кроме того, такие факторы, как pH, температура, содержание хлоридов, CO₂ и цианидов, также оказывают определённое влияние на коррозию. В свою очередь, конструкция обечайки сложна: при недостаточной скорости потока в местах застоя и отложениях концентрация хлорид-ионов может значительно возрастать, превышая предел точечной коррозионной стойкости стали 2205. По данным анализа отечественных специалистов, проведённого на основе зарубежных источников и подтверждённого экспериментальными результатами, в условиях преобладания коррозии аммонийного гидросульфида при высоких концентрациях (pH > 9) степень коррозионной стойкости распространённых металлических материалов распределяется следующим образом: 2205 < 316 < углеродистая сталь < 825 < C276; таким образом, сталь 2205 не способна противостоять коррозии в кислой водной среде внутри конденсационно‑охладительного аппарата. Это согласуется с наблюдаемым снижением срока службы трубных пучков после их замены на двухфазные нержавеющие трубы.

 

Выводы и рекомендации

1. Выводы

На основании вышеизложенного анализа можно сделать вывод, что коррозионная утечка в трёхступенчатом конденсационно‑охладительном аппарате для отбора паров кислой воды гидрогенизационного типа обусловлена главным образом воздействием водорода со стороны межтрубного пространства. ₂ S+NH ₃ +H ₂ Коррозия обусловлена о‑коррозией и коррозией под отложениями аммониевых солей; при этом основные очаги коррозии локализованы в зоне первичного затвердевания, в местах протекания жидкой фазы и в зонах накопления отложений; при изменении направления потока и в зонах застоя коррозия усиливается.

2. Рекомендации

(1) В связи с серьёзным утончением трубного пучка трёхступенчатого конденсатора‑охладителя рекомендуется зарезервировать и заменить его новым пучком; в качестве материала нового пучка предлагается вернуться к ранее использовавшемуся сплаву 10#+ с покрытием, при этом необходимо обеспечить надлежащее качество покрытия. В краткосрочной перспективе можно временно эксплуатировать нижнюю половую часть трубопровода без этого пучка.

(2) Рекомендуется пересчитать технологические параметры работы трёхступенчатого конденсационного охладителя и осуществить техническое переоснащение оборудования, в частности — увеличить диаметр трубопроводов подачи и отвода циркуляционной воды; при работе в режиме, близком к нижнему пределу, это должно обеспечивать выполнение требований технологического процесса, а также нормативных значений скорости потока по однотрубному каналу и температуры на выходе. Таким образом удастся снизить риск образования накипи и коррозии в межтрубном пространстве нового пучка труб и продлить срок службы оборудования.

(3) Рекомендуется рассмотреть возможность подачи воды на вход кожуха вторичного конденсационного охладителя и третичного конденсационного охладителя (данная мера уже внедрена) в целях снижения интенсивности коррозии, обусловленной отложением солей в кожухе, а также серьёзной коррозии в зоне первичного конденсирования.

(4) В связи с серьёзным локальным утоньшением стенки корпуса трёхступенчатого конденсатора‑охладителя, в настоящее время проведены внутренние локальные ремонтные работы и наружное локальное усиление углеродным волокном; рекомендуется зарезервировать запасные части для замены во время капитального ремонта.

(5) Рекомендуется установить на линии от трёхступенчатого конденсатора‑охладителя к трёхступенчатому сепаратору онлайн‑датчик коррозионной электрической индуктивности.

 

Центр антикоррозионных технологий «Чжунькэ Вэйэр»

 

---