天然气脱碳系统胺液再沸器管列腐蚀原因分析及防范

天然气脱碳系统胺液再沸器管列腐蚀原因分析及防范
作者：董小强郭琦刘方
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第03期
摘要：天然气脱碳单元胺液再沸器管板处管列腐蚀穿孔会导致热载体油或中压锅炉水进入循环胺液中引发胺液中引发污染乃至安全事故，准确分析并采取有针对性的防范措施是防范事故再次发生的关键。

关键词：脱碳；再沸器；腐蚀穿孔；防范措施
再沸器是天然气净化系统的重要组成部分，传统的胺液再沸器绝大采用结构简单、紧凑而又牢固的不锈钢管壳式换热器，但其易受到CL-腐蚀，且壳程流体为横向、不均匀冲刷管束，易导致换热管产生诱导振动，不仅缩短了换热器使用寿命，降低了换热设备的安全性，且在一定程度上增加了维护费用。

与传统的管壳式再沸器相比，改造后的再沸器改良了焊接技术、增加了固定扰流板，能有效减少焊接死角并减弱管束诱导振动；且由于防冲挡板内产生的流体射流，可以减小化学物质、腐蚀物质等在换热管壁面的沉积，使得换热管壁面附近区域传热和腐蚀状况得到改善，减小了换热器失效的概率。

1 研究背景
2016年7月，陕西延长石油天然气有限责任公司临镇站天然气净化装置发现其CO2吸收塔脱碳效果下降，怀疑胺液再生塔塔底再沸器管程可能发生泄漏，后紧急停车对塔底再沸器进行了抽芯检查，打压后发现管程有7根出现泄漏（共572根管束），泄露点主要集中在再沸器管束焊接面下部双侧。

该塔底再沸器自2014年以来共出现4次泄露事故，分别为2014年9月、12月，2015年1月，2016年7月。

之前三次泄露点主要集中在再沸器管板下部中侧，第三次亦有少量分布于两侧，前三次与第四次腐蚀点分布趋势存在明显差异。

2 工艺设备概况
①该胺液再沸器为釜式再沸器，管列为双回程式，受热端胺液走壳程，传热端导热油走管程，直径1米，管束572根，换热面积410m2，材质均为321不锈钢（成分为06Cr18Ni11Ti，相当304不锈钢，略逊于316L），采用一般换热管与管板强度焊加贴胀工艺，自2014年起已更换两次换热器管程。

②系统贫胺中CL-含量为0.96ppm，用于稀释胺液的除盐水CL-浓度结果为2.0 ppm。

③导热油进胺液塔底再沸器温度160℃，出胺液塔底再沸器温度140℃；胺液再生塔底部温度120.3℃。

3 原因分析
3.1 工艺原因
被污染后的循环胺液中CL-随胺液总碱度波动而波动，胺液塔底再沸器U形管与管板连接处有0.025—3mm的缝隙，进入这一缝隙的胺液最先受高温导热油加热而快速脱水浓缩，此时胺液中CO2及水分被大量汽化，根据实验，此时胺系统中的CL-浓度可增加30倍。

当系统中氯离子长时间超过换热器材质321（304）在160℃时允许浓度时，即发生腐蚀穿孔。

当循环胺液进入再沸器管束后，自下而上流过U型加热管后溢出再沸器，换热器下部温度高于上部，且导热油温度与刚进入系统的胺液温差较大，胺液流动速度在管板U型管缝隙内达到最大（腐蚀速率与流动速率成正比），因此胺液塔底再沸器泄露集中发生在管束下部。

但此理论无法解释前三次与后一次泄露分布位置明显不同的原因。

对照不同温度下CL-浓度和不锈钢腐蚀选型表得出，CL-浓度在10ppm时，321（304）不锈钢材质的腐蚀上限温度为120℃，考虑浓缩倍数（30倍）因素，得出120℃下实际允许CL-浓度为10mg/L/30=0.33mg/L（即CL-
对比天然气有限责任公司杨家湾站胺液再生塔底再沸器，检测其除盐水中CL-为8.7ppm，但其投运4年从未发生过类似泄露事故，因此单纯以CL-腐蚀原因解释穿孔泄露也略显牵强。

3.2 设备原因
频繁出现腐蚀穿孔的胺液塔底再沸器为釜式再沸器，管程分别于2014年9月、12月、2015年1月分别发生三次泄露，之后更换为现用管程。

新再沸器壳程设有防冲挡板，位置在壳程胺液入口正上方，管板与扰流板之间。

因旧再沸器无防冲挡板，胺液自再沸器壳程底部流入时在靠近管板位置直接冲击管程，造成管程震动，其中接近胺液入口处中心线两侧下部区域所受冲击力最大，振动幅度亦最大，因此前三次胺液泄露位置均在管程下侧中心线附近。

新再沸器设置了防冲挡板，胺液自再沸器壳程底部流入时首先冲击防冲挡板，而后从挡板两侧向上接触管束，其中挡板两侧区域所受冲击力最大，振动幅度亦最大，因此本次胺液泄露位置出现在管程下部两侧位置。

从管程焊接工艺角度分析，如图1所示：
因目前换热器厂家普遍采用普通胀接加管口焊接工艺，焊接位置牢固，但胀口与管板间存在0.025—3mm缝隙。

胺液进入再沸器壳程压力约为0.07Mpa，导热油进入管程压力约为
0.9Mpa，两者压差较高，其中管程中导热油压力在本系统中主要起到正应力的作用，壳程中胺液由下而上对管程进行冲击，起到切应力的作用。

两者为抵消这种力的作用，均试图使管程从变形后的位置恢复到变形前的位置，胀口位置与管板之间不断受力振动，振动幅度由管口位置向管程后部递减。

因胺液循环量波动，胀口所受应力也在不断变化，也就意味着不规则的瞬时振动加剧，长时间地应力变化造成管板胀口处穿孔泄露。

4 应对措施
①降低稀释胺液的除盐水电导率及CL-含量，理论上须将CL-降至0.33ppm以下，但因原水指标和处理工艺差异等原因无法达到，要求CL-含量尽可能减少。

②再沸器在胺液进口处加装防冲挡板且应在现有基础上加长；其次，在管板与第一块扰流板之间加装一块扰流板，减少管束振动；最后采用“液压强度胀接+机械补胀工艺”消除管板与管束间隙，减少CL-在局部位置浓缩腐蚀可能性及减小胀口应力。

5 技术改造及效果
2016年10月17日，天然气有限责任公司对临镇站MDEA（胺液）再沸器管程进行了整体更换，更换前对整个胺液系统进行了碳酸钾量（无氯）碱洗，更换后的胺液再沸器在胺液进口处加装防冲挡板且应在现有基础上加长，并在管板与第一块扰流板之间加装一块扰流板，减少管束振动，且采用“液压强度胀接+机械补胀工艺”消除管板与管束间隙。

工艺方面，在保证处理能力的前提下降低胺液循环量至50338 kg/h，同时胺液再生塔底部温度降至113.6℃，进导热油温度114.5℃、回导热油温度101.3℃，胺液CL-含量8ppm。

经过更换MDEA（胺液）再沸器管程及调整主要操作参数后，临镇站脱碳系统运行情况良好，在天然气处理能力没有变的情况下，胺液循环量和胺液再生塔热负荷大大降低，净化后天然气的CO2平均值均在5.0ppm以内，MDEA（胺液）再沸器至今运行正常。

6 结论
本文对天然气净化、液化行业普遍使用的醇胺法脱硫脱碳所采用的MDEA（胺液）再生系统塔底再沸器泄漏原因进行了工艺及设备原因分析，对类似事故的后续处理提供了探究方向和改善措施，使同行业可以在事故未发生或发生初期避免损失或安全生产事故。

参考文献：
[1]顾晓峰，等.天然气脱碳再沸器花板处列管腐蚀穿孔原因分析与防范措施[J].化工设计通讯，2015（4）.
[2]孙兰义，等.换热器工艺设计[M].北京：中国石化出版社，2015.。