乙烯装置稀释蒸汽管线弯头泄漏原因分析及对策

周家成，潘延君，谷 阳，周 琳，张晓刚，王明明

(中国石油天然气股份有限公司独山子石化公司乙烯厂，新疆 独山子 833699)

乙烯装置裂解炉的液相裂解原料在对流段预热、汽化并与稀释蒸汽混合后，烃类物质/蒸汽混合物被过热，经横跨段分配至辐射段；辐射段所有的平行进口管线连接到一对总管，通过文丘里喷嘴重新进行均匀分配，使辐射段炉管的流量相等。稀释蒸汽是裂解炉在低烃分压和短停留条件下工作的根本保证。在裂解炉运行期间，稀释蒸汽管线弯头处频繁泄漏，严重影响裂解炉长周期平稳运行。

1 稀释蒸汽工艺流程及运行参数

1.1 稀释蒸汽工艺流程

注入裂解气的稀释蒸汽在急冷单元被冷凝。其中，在水洗塔10-C-2801，部分稀释蒸汽冷凝为工艺水。工艺水在工艺水汽提塔10-C-3001中通过中压蒸汽(MS)汽提除去工艺水中的烃类物质，然后在1号和2号稀释蒸汽发生器中被加热汽化并过热，用来作为裂解炉内的稀释蒸汽。除工艺水和蒸汽含量减少时需补充软水和正常排污外，稀释蒸汽系统是一个封闭运行的系统。

1.2 稀释蒸汽系统工艺设计参数及泄漏情况

裂解炉的裂解原料主要为加氢尾油、石脑油和轻烃。加氢尾油和石脑油均以液相进入裂解炉，在对流段原料预热炉管内预热并部分汽化。裂解原料为加氢尾油时进行二次注气，首先部分未过热的稀释蒸汽被输送至上部烃类物质/蒸汽混合物喷嘴，与经过预热的加氢尾油进行混合；然后余下部分稀释蒸汽经过热器过热后与经过闪蒸的烃类/蒸汽混合物相混合。裂解原料为石脑油时，经过过热器过热后的所有稀释蒸汽被输送至上部的烃类/稀释蒸汽混合喷嘴与经过预热和预汽化的石脑油相混合，此时下部烃类/稀释蒸汽混合喷嘴的稀释蒸汽没有使用。裂解原料为轻烃时，混合预热段一段和二段管束处于未使用状态，在进入混合预热段之前，过热的稀释蒸汽与气态原料混合。稀释蒸汽的设计参数见表1。稀释蒸汽系统流程见图1。

表1 稀释蒸汽的设计参数

2015年大检修至今，稀释蒸汽系统管线弯头泄漏共计36次，其中2016年10月和2017年6月，稀释蒸汽系统扫线泄漏频率明显加快，共计21次，详见表2。

图1 稀释蒸汽系统流程

2 稀释蒸汽管线弯头泄漏部位情况

2015年大修前后，稀释蒸汽管线弯头泄漏情况对比分析见图2和图3。2015年大检修前，稀释蒸汽管线弯头泄漏主要原因为稀释蒸汽管线内气液夹带冲刷弯头导致其壁厚减薄出现泄漏。2015年大检修后，其泄漏部位为弯头与直管段连接焊缝及其热影响区。

表2 稀释蒸汽系统泄漏频次

图2 2015年大检修前稀释蒸汽管线弯头泄漏情况(蜂窝状砂眼)

3 稀释蒸汽管线弯头泄漏原因分析

3.1 碱腐蚀

稀释蒸汽-工艺水系统pH值通过注入浓度为20%的NaOH来调整，稀释蒸汽中Na+含量分析数据见图4。

由于工艺系统中的Na+浓度高，造成管线焊缝处存在缝隙腐蚀，导致管线内部腐蚀严重。稀释蒸汽设计温度为185 ℃。在稀释蒸汽管线末端，由于其流速降低、流量偏小造成运行温度偏低，部分蒸汽在管线末端及焊缝边缘的沟槽或不光滑处开始冷凝并产生聚集；由于Na+易溶于稀释蒸汽凝液导致其Na+浓度逐渐增加，同时在稀释蒸汽扫线时，稀释蒸汽管线末端温度上升，凝液中的水被蒸发，Na+再次形成局部高浓度。当高浓度碱液温度高于60 ℃时，对碳钢的腐蚀为均匀腐蚀；当高浓度碱液温度高于93 ℃时，对碳钢的腐蚀速率显著增大。根据工艺运行参数可以判断出，稀释蒸汽管线发生的是均匀碱腐蚀，稀释蒸汽中NaOH局部高度浓缩造成管线全面腐蚀减薄，从而出现泄漏。

图3 2015年大检修后稀释蒸汽管线弯头泄漏情况(焊缝及热影响区)

图4 稀释蒸汽系统中Na+含量

3.2 碱应力腐蚀

碱脆现象是指金属在拉应力和碱液共同作用下产生的阳极性溶解型开裂，是应力腐蚀的一种类型【1】。其腐蚀机理为：高温下碳钢与水蒸汽发生化学反应3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2，NaOH对上述化学反应具有催化作用，反应产物Fe3O4覆盖在金属表面形成保护膜，而拉应力能够破坏保护膜使其形成最初的裂纹；NaOH在裂纹部位富集形成电偶腐蚀环境，造成裂纹迅速扩展并断裂【2】。碳钢的碱脆一般需要同时具备以下3个条件： 1)较高浓度的碱液(浓度大于5%)； 2)较高的温度，特别是在溶液的沸点附近； 3)较高的拉伸应力。

通过对上述3个条件逐条进行对比分析发现：稀释蒸汽在管线末端时流量偏低，易形成凝结水，从而造成凝液中碱浓度较高；且凝液与蒸汽处于动态平衡状态，温度接近蒸汽的沸点；同时弯头更换时产生焊接残余应力。三者共同作用使管线存在发生应力腐蚀的可能。此外，采用高浓度NaOH注入的方式调节工艺水的pH值，造成工艺水及蒸汽凝液中Na+含量增加，同时管线弯头部位的焊缝和焊缝热影响区存在应力，使管道弯头出现应力腐蚀导致其损坏。对泄漏弯头剖开的截面进行检查发现，泄漏点位于承插焊弯头焊缝部位且承插部位有明显腐蚀凹槽，其主要泄漏部位在焊缝的热影响区(见图5)。

图5 对泄漏弯头的焊缝腐蚀情况进行检查

3.3 冲刷腐蚀

固体、液体、气体及其混合物的相对运动在流体与金属之间产生切应力，可使金属表面层剥离，造成表面材料的损耗【3】。冲刷在很短的时间内造成材料局部严重损耗，其典型形貌特征为坑、沟、锐槽、孔和波纹状，且具有一定的方向性。稀释蒸汽管线材质为碳钢，水与碳钢发生化学反应形成的铁锈会造成管线腐蚀减薄。在裂解炉运行期间，需不定期进行退料烧焦，管道内介质在烧焦空气与稀释蒸汽之间来回交替，使用烧焦空气时，烧焦空气流量大且流速高，管道内壁形成的Fe3O4保护膜被铁锈冲刷剥离，而使用稀释蒸汽时，稀释蒸汽与碳钢再次发生化学反应形成铁锈。工艺介质的交替改变加速了管线弯头的腐蚀减薄。

4 稀释蒸汽弯头泄漏防范措施

4.1 控制工艺水中Na+含量

1) 定期对稀释蒸汽的质量进行分析，主要分析项目包括Fe+、pH值、SiO2、Na+。通过对监控指标进行对比分析判断稀释蒸汽品质是否出现恶化，以确认稀释蒸汽系统的运行情况，防止Na+再次出现严重超标。

2) 加强对稀释蒸汽中Fe+、pH值、SiO2、Na+等指标的监控，出现异常情况及时调整，确保各项控制指标在标准范围内(见表3)。

表3 稀释蒸汽控制指标

4.2 延长裂解炉的运行周期

对裂解炉的日常操作进行特护管理并对裂解炉长周期运行进行攻关，采取相关优化措施(如8台炉同时运行模式等)，降低单台裂解炉的运行负荷，延长单台裂解炉的运行周期。通过延长裂解炉的运行周期，降低了单台裂解炉退料烧焦次数，从而降低了烧焦空气吹扫与稀释蒸汽交替运行次数，进而降低了碳钢表面保护膜脱落的几率，可避免裂解炉频繁处于运行与烧焦的交替进程中加剧弯头的冲刷腐蚀减薄现象。同时在投用烧焦空气前，打开附近的排液倒淋阀门，加大对管线内部形成的铁锈的排放，降低在使用烧焦空气时铁锈对管道内壁及保护膜的冲刷，延长弯头的使用寿命。

4.3 稀释蒸汽弯头更换后的焊后热处理

由于稀释蒸汽运行温度大于100 ℃，且其中的NaOH易出现局部浓缩，因此，稀释蒸汽管线更换弯头后必须对焊缝进行焊后热处理，以避免焊缝发生碱应力腐蚀。由于残余应力是造成碱应力腐蚀的主要因素，所以在焊接过程中，需采用低焊接电流，焊前预热，适当的焊接顺序、方向和层间锤击等焊接工艺措施来降低焊接接头的残余应力。但在焊接过程中进行应力控制仍然不能完全消除焊接残余应力，必须在稀释蒸汽管线焊接完成后进行593～648 ℃焊后热处理进一步消除焊接应力。经热处理后，焊缝的残余应力和硬度均大幅度降低，从而提高了管道的力学性能和抗腐蚀性能。热处理后焊缝和热影响区的硬度值小于200 HB【1】。

4.4 定期测厚

制定定期测厚计划对8台裂解炉的稀释蒸汽管线弯头处进行超声波测厚检查，确认各弯头及直管段的减薄情况。根据减薄情况，对具备隔离条件的弯头进行定期更换，不能进行隔离的弯头及直管段则进行加固，避免发生泄漏。

4.5 加入缓蚀剂

防止碱应力腐蚀的常用缓蚀剂有Na3PO4、NaNO2和Na2SO4等，其中NaNO2对阻止碱应力腐蚀非常有效。缓蚀剂与NaOH之间比例应进行优化控制，如NaNO2/NaOH比值应大于0.4，Na2SO4/NaOH应大于5【4】。

5 结语

针对乙烯装置稀释蒸汽系统弯头背弯处、焊缝及热影响区出现腐蚀泄漏的问题，通过宏观检查及腐蚀机理分析，判断泄漏的原因为稀释蒸汽的气液冲刷减薄、高温下的碱腐蚀以及碱应力腐蚀开裂。通过采取优化工艺操作、优化焊接施工方案、定期测厚、加入缓蚀剂等预防措施降低稀释蒸汽弯头泄漏的可能性以及稀释蒸汽系统异常泄漏几率，保证了稀释蒸汽系统的长周期稳定运行。