基于CFD分析方法的氢气碱洗塔腐蚀失效分析_蒋良雄.pdf

第 40 卷第 4 期压力容器2023 年 4 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2023 04 010安 全 分 析基于 CFD 分析方法的氢气碱洗塔腐蚀失效分析蒋良雄(中国石化 扬子石油化工有限公司，南京210048)摘要:以某石化重整装置开裂碱洗塔为研究对象，分析氢气 碱液两相耦合腐蚀机理和碱洗塔失效原因。采用 CFD技术，仿真模拟碱洗塔内部氢气 碱液流动流场，计算两相介质速度和动压力分布，并结合失效材料的化学成分、拉伸力学性能试验及塔内壁表面腐蚀产物分析，确定碱洗塔失效的原因是流动加速腐蚀，即潮湿含 HCl 的氢气与碱洗塔壁面接触，由于碱液流动存在不均衡性，HCl 未与碱液中和而是与壁面发生腐蚀反应。同时，在高速氢气的作用下，腐蚀产物膜发生剥落，从而加速塔体壁面的减薄，最终在内压作用下发生开裂。该研究结果可为类似工艺装置与工况特点的在役承压设备避免相似损伤失效模式提供参考。关键词:碱洗塔;氢气;腐蚀;冲刷;流场中图分类号:TH49;TQ053 5;TG172 83文献标志码:ACorrosion failure analysis of hydrogen alkali washing tower based on CFD methodJIANG Liangxiong(Sinopec Yangzi Petrochemical Co，Ltd，Nanjing 210048，China)Abstract:By using the cracked caustic wash tower of a petrochemical reforming unit as the research object，the corrosion mechanismof hydrogen-alkali liquid two-phase coupling and the failure causes of the caustic wash tower Using CFD technology，the flow fieldof hydrogen-alkali liquid inside the caustic wash tower was simulated The velocity and dynamic pressure distribution of thetwo-phase medium were calculated Based on the analysis of the chemical composition，tensile mechanical properties，and corrosionproducts on the inner wall surface of the failed material，it is determined that the cause for the failure of the caustic wash tower isflow accelerated corrosion，that is，the wet hydrogen containing HCl comes into contact with the wall surface of the caustic washtower Due to the uneven flow of alkali solution，HCl did not neutralize the alkaline solution but underwent a corrosion reactionwith the wall material At the same time，under the action of high-speed hydrogen gas，the corrosion product film peels off，accelerating the thinning of the tower wall and ultimately cracking under internal pressure The research results provide areference for in-service pressure equipment with similar process equipment and operating conditions to avoid similar damagefailure modesKey words:alkali washing tower;hydrogen;corrosion;scouring;flow field收稿日期:2022 11 16修稿日期:2023 03 21基金项目:国家自然科学基金项目(U1909216，51876194，52176048)0引言石化装置中承压设备输送的流体介质一般具有易燃、易爆和较强的腐蚀性，易与金属内壁发生化学(电化学)作用生成一层致密保护膜，能有效地阻止流体对管件的继续腐蚀。但当介质的流速、流态发生改变时又将对保护膜产生破坏，从而造成设备的进一步腐蚀损伤，甚至失效泄漏1。同时，石化装置承压设备中，多类典型损伤模式与介质流态、流速等高度相关，其中包括:盐酸腐蚀、76PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，2023酸(碱)式酸性水腐蚀、环烷酸腐蚀等典型损伤模式。针对介质流动特征与设备腐蚀损伤关联性的研究，一直是承压设备技术研究领域关注的焦点。掌握承压设备介质流动特征，分析影响介质流动形态或状态的变化及影响因素，不仅具有重要的理论意义，而且对确保设备甚至装置的长周期安全运行具有现实意义。流动加速腐蚀(FAC)是电化学腐蚀和流体力学交互作用的结果，与介质条件、管材材料组分和流体动力学等2 3 影响因素有关，国内外众多学者对此做了大量的研究。张凌翔等4 对超临界机组 FAC 进行了研究，并借助于常温电化学阵列电极测量和 CFD 模拟结果，分析了流体动力学因素对 FAC 速率的影响，指出管道的径向速率分量是弯管 FAC 速率的指示参数。UTANOHARA 等5 得出瞬时剪切应力的均方根(RMS)是评估 FAC速率的关键参数，而且 FAC 速率和近壁湍流强度之间的相关性更好，但是它们之间的关系尚未得到理论验证。CHANG 等6 7 发现，近壁面高湍流强度是造成局部 FAC 速率增强的原因，壁面剪切应力不是 FAC 的控制因素。目前普遍认为，FAC的腐蚀过程是介质中腐蚀性离子与金属基体表面发生反应，生成具有保护性的腐蚀产物膜8，然而流动的流体不停地冲击腐蚀产物膜，导致其发生剥落，使得金属基体重新暴露在腐蚀性介质中，从而加速腐蚀。流动加速腐蚀会在冲刷比较严重的区域形成局部腐蚀，导致设备局部减薄，造成设备过早地失效9。石化承压设备介质流动与设备腐蚀间问题的分析主要集中在换热器或空冷器等小管径部位10 13，塔器、反应器等大型设备的研究较少。本文对大型失效设备内部介质流动特征开展研究，分析气 液两相耦合作用的腐蚀机理，为类似工艺装置或工况特点的在役承压设备避免相似损伤失效提供参考。1装置及失效设备概况1 1装置工艺文中分析的设备是某石化重整装置中的碱洗塔。原装置流程中设置了固相脱氯罐，以脱除氢气中的 HCl，但脱氯后介质中仍含痕量氯离子，为进一步实现脱除氯离子，后又在工艺流程中设计了碱洗塔与固相脱氯罐串接使用。碱洗工艺流程如图 1 所示，其中，氢气从碱洗塔中下部进入，与上部喷淋的稀碱液在填料层发生中和反应。含有HCl 气 体 的 氢 气 最 大 流 量 为 91 000 Nm3/h，HCl 含量小于 3 106;碱液的最大质量流量为15 000 kg/h。图 1碱洗工艺流程及设备示意Fig 1Schematic diagram of alkaline washing process and equipment1 2失效设备概况工艺流程中新增的碱洗塔在投用近 3 年后发生撕裂，导致氢气介质外泄并且着火，经现场勘察，启裂处接近平台支腿垫板焊缝，筒体厚度最薄86蒋良雄:基于 CFD 分析方法的氢气碱洗塔腐蚀失效分析为 3 37 mm，位于氢气进料口对面，开裂筒体周边的壁厚为 4 2 9 23 mm，氢气进料口周边壁厚为10 99 14 12 mm，如图 2 所示。该碱洗塔内径1 400 mm，高 9 950 mm，塔体厚度 18 mm，材料为Q345R，设计压力28 MPa，设计温度50，工作压力24 MPa，工作温度40，腐蚀裕量3 mm。碱洗塔填料采用矩鞍环(IMTP 50)，孔隙率为098。图 2容器开裂形貌及壁厚减薄示意Fig 2Schematic diagram of cracking morphologyand wall thinning of vessel1 3材料成分及力学性能检测分析参照 GB/T 142032016火花放电原子发射光谱分析法通则、GB/T 43362016碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)中测试方法对碱洗塔失效部分进行取样，并对其化学成分进行分析，其结果如表 1 所示。可以看出，材料的化学成分均满足GB 7132014 锅炉和压力容器用钢板 对 Q345R钢板的要求。在失效部分内壁任意选取 3 个位置，采用X 射线能谱分析其表面腐蚀产物组成元素，结果如表 2 所示。可以看出，内壁表面腐蚀产物主要的腐蚀性元素为 O，Cl 和 S，其中 O 的含量高达 39 50%，Cl 和 S 两种元素的最高含量分别为 2 04%和 2 18%，即内壁面的腐蚀产物为铁的氧化物、铁的氯化物及铁的硫化物。由于设备失效后未能第一时间对失效部分进行保护，导致内表面生成了大量的铁的氧化物。对比碱洗塔工况可知，失效部位出现了氯离子富集。表 1化学成分检测结果Tab 1The test results of chemical composition试样编号化学成分(%)CSiMnPSCrNiMoCuNbVTiAl1#0157023212400130004 5002400300006 6 0007 900010001 0001 500642#017902613200160004 8001500280003 5 0006 40001000100040065标准要求值020055 12 17 0025 001030030008030005005003002表 2内壁表面检测结果Tab 2Inspection results of inner wall surface分析位置主要成分(%)OSClFe139 500 872 0457 59228 320 380 5270 78325 492 180 6071 73根据 GB/T 228 12021金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法 中测试方法，对失效部分取拉伸试样 1#，2#，采用 2 mm/min 加载速率对其力学性能进行测试，试验结果如表 3所示。可以看出，碱洗塔失效部位的屈服强度平均值为369 25 MPa，抗拉强度平均值为535 MPa，平均延伸率为 32 75%，均高于 GB 7132014中 Q345R 的规定数值，材料拉伸力学性能满足标准要求。表 3拉伸力学性能检测结果Tab 3The test results of tensile mechanical properties试样编号屈服强度RP0 2/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)1#136553535 01#237453730 52#136953331 02#236953534 5GB 7132014 中Q345R315490 620211 4碱洗塔最小壁厚计算根据 GB/T 196242019在用含缺陷压力容器安全评定 中压力容器极限载荷 pL的计算公式，计算容器开裂时的最小壁厚。pL=23lnR0R0 B(1)96PRESSURE VESSEL TECHN