氢气压缩机级间冷却系统二氧化碳腐蚀与防护

氢气压缩机级间冷却系统二氧化碳腐蚀与防护

张文强；马洪涛；张志利

阳煤平原化工有限公司 山东省德州市 253100

摘要：二氧化碳压缩机在运行过程中, 由于原料介质的冲刷与腐蚀, 其进气管道、分离设备、排油水管道与阀门出现经常性的泄漏, 活塞杆点蚀, 活塞环槽蚀断, 进气阀腐蚀严重, 气缸体出现大而深的蚀坑, 严重影响压缩机的安全稳定与长周期运行。随着企业生产潜能的不断挖掘, 节能减排的深入开展, 二氧化碳压缩机故障停车检修次数过多的矛盾突出地显现出来。研究分析二氧化碳压缩机冷却分离器换热管束泄漏的原因，找出泄漏的主要原因是应力腐蚀，提出了解决措施。

关键词：压缩机；二氧化碳；腐蚀；防护  

结垢和腐蚀是循环水控制的主要问题,在装置冷换设备中体现的尤为明显,水处理效果决定了水冷器的实际使用寿命和装置的运行周期,良好的水处理效果对企业的降本增效和安全运行起着十分重要的意义。因此,水处理在企业生产中受到广泛关注。

一、概况

某厂二氧化碳压缩机冷却分离器改造更新的设备，其作用是将二氧化碳压缩机出口的CO2（164．4℃）冷却至43℃，通过分离器将水分离，进入压缩机进行压缩。该换热器为“U”型管换热器，换热面积 237．4 m2，设计使用年限10 a。换热管与管板之间的连接采用液压贴胀加强度焊，制造顺序为先液压贴胀，然后强度焊。二氧化碳压缩机冷却分离器出现管束泄漏，设备寿命仅2 a。主要表现为换热管束在接近管板和折流板处结垢产生裂纹泄漏，从而导致管束中的CO2 泄漏到循环水中，严重时，在短时间内会出现大量换热管腐蚀破裂现象，造成换热器整体失效。由于对出现大面积腐蚀的换热器进行检查、修复所需时间较长，一旦出现泄漏，必将会导致尿素装置全面停车，为此必须找出产生泄漏的原因。

二、二氧化碳压缩机的腐蚀原因

二氧化碳压缩机为活塞式压缩机,如工作温度、压力、含水量、含氧量、pH 值等。另一类为材料的影响, 如材料中C、Cr等的含量。

1、二氧化碳介质中含水量的影响。介质中水分含量是影响二氧化碳腐蚀的一个至关重要的因素。二氧化碳的腐蚀发生从根本上说是由于水对钢铁表面的浸湿作用。二氧化碳溶解于水中后, 在金属表面形成了电解质溶液, 即: CO2+H2O→H2CO3从而构成了金属的电化学腐蚀的基本条件。溶液中电离出的H+作为Fe 腐蚀反应中的一种主要阴极去极化剂, 增加金属的腐蚀速度, 且随着压力的增大, 水分增多, 二氧化碳溶解度也大幅度增加。

2、温度的影响。从腐蚀部位来看, 温度<40℃的进口部位,二氧化碳的腐蚀比较严重。而>100℃出口部位, 腐蚀很少发生。温度对压缩机腐蚀的影响, 更主要的表现为在临界温度附近的影响。

3、介质中氧含量的影响。为了保护尿素合成塔等重要设备, 在二氧化碳介质中加入0.5%左右的氧, 而氧与二氧化碳共存在于水中时会引起严重的腐蚀。当金属表面有完好的保护膜存在时, 氧气存在, 增加保护膜的完整性; 而当金属表面未形成保护膜或保护膜被破坏时, 氧含量增加, 由于氧作为Fe腐蚀反应中的主要阴极去极化剂之一, 会加速碳钢腐蚀速度。因此氧在二氧化碳腐蚀的催化机制中起重大作用。

4、腐蚀机理。标准不锈钢在含氯离子的溶液中，超过60℃时就容易导致应力腐蚀开裂。该设备的管束的泄漏是由于循环水中的Cl－在不锈钢管表面的浓缩富集，导致钢管在承受应力的部位产生应力腐蚀开裂。由于应力腐蚀是起源于管外侧，因此不锈钢管外侧的环境十分重要，尽量避免含氯盐在钢管表面浓缩沉积是很必要的。 但由于冷却水要不断蒸发，水中的氯盐在钢管表面沉积是不可避免的。发现壳程有白色近灰色垢层沉积（厚2mm），对沉积物结垢组成分析证明，该换热器壳程所使用的水中确实溶有较多的钙、钠、钾的重碳酸盐、硅酸盐、氯化物和氯根离子，其中Cl－在管子折流板、弯曲处外侧拉伸表面上的沟槽外沉积和浓缩，这是冷却器管子发生应力腐蚀破裂的主要原因。腐蚀产物中还检测出有一定量的S元素存在，而钢中的S含量是相当低的，说明腐蚀产物中的S绝大部分是环境带来的，冷却水系统中硫酸盐以及硫酸盐还原菌活动都有可能导致循环水系统硫元素的增加。

5、管子振动引起应力腐蚀破裂。通过现场观察，大批的管子几乎在垂直于横截面上整齐的出现断裂、裂纹现象，主要是位于折流板部位。分析运行时受到折流板的振动、周期性碰撞，造成该部位应力集中，是造成管束过早发生腐蚀失效的另一个重要因素。使用过程中，周期性的加热、冷却、振动及外加截荷对于冷却器管束来说，这类应力都是存在的。在加工制造过程中产生的残余应力中，以冷弯应力为主。冷弯成形过程中由于弯形的不均匀，使其组织内部又产生了很高的组织残余内应力。此外管束成形后，尺寸精度不足就会造成管子轴线与管板和隔板上孔的轴线不相重合，从而使装配应力增大，使管子弯曲处外侧表面承受拉应力；在使用过程中，外加载荷的管程气体压力也使管子受外表面应力。根据以上分析可知，影响设备腐蚀失效的因素主要有：循环水的质量、 循环水在管外壁的结垢、管子的振动。

三、二氧化碳压缩机的腐蚀措施

1、管束材质更换为耐应力腐蚀的双相钢。双相不锈钢是由奥氏体和铁素体两种金相组织所组成的中合金型不锈钢，具有优良韧性、良好的焊接性能、较高强度和较好的耐氯化物应力腐蚀性能，应用于氯化物等强腐蚀性介质存在的环境中，双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比， 表现出了优良的抗应力腐蚀开裂能力。为此换热管从选材上考虑采用耐应力腐蚀的双相钢S31803对其进行更新，防止应力腐蚀的发生。

2、提高循环水流速防止结垢。为了防止管侧介质CO2在设备内液化，工艺上要求控制冷却器管侧CO2介质的温度不能低于37℃。该换热器设计换热面积富余量较大，如果长时间用调小进出口阀的开度来控制温度，则必将会导致壳侧循环水流速降低，管束更加容易结垢。经研究在二段冷却器的循环水出口管线上配一条管线至冷却器的循环水进口管线上，此交汇点位于循环水进水温度控制调节阀（TIC112）后，采取提高冷却器循环水的进口温度。增加流速办法来降低管束结垢速度。

3、压缩机进口温度的控制。由于二氧化碳在压力为7.382MPa 时, 其临界温度为 304.2K。根据二氧化碳三相点与其临界点之间的关系, 可以计算出压缩机设计压力为 8.1MPa , 其临界温度为 309K。当气体中含有水分时, 其临界温度有所提高, 水分含量越多, 其临界温度越高, 因此，进气温度一般控制在 311K以上。进口压力为3.3MPa,临界温度很低, 因此其进口温度的控制以水冷却器能力允许条件下,应尽可能低一些,促使二氧化碳中的水分尽可能的冷凝下来。

4、提高循环水的质量。通过协调水汽车间，提高循环水的质量，对含重碳酸盐的硬水进一步软化处理，降低循环水中的氯离子浓度，提高循环水的清洁度。

5、定期检修，及时清除管板上的结垢。双相钢只是较耐应力腐蚀，在压力、温度和氯离子都较高时，仍会产生应力腐蚀。因此每次大修都应及时清除管板上的结垢， 防止在缝隙和结垢处富集氯离子，这样可延长设备的使用寿命。

通过对二氧化碳压缩机采取措施后,现用二氧化碳压缩机冷却分离器投用，换热效果一直很好，没有出现过一次泄漏，换热器上的应用成功地解决了 00Cr19Ni10应力腐蚀问题， 为相关行业的抗腐蚀选材提供借鉴，保证了装置的长周期运行。

参考文献：

［1］陈卓元，张学元．二氧化碳腐蚀机理及影响因素［J］．材料开发与应用，2018，13（5）：34－40．

［2］戴雪燕．二氧化碳压缩机低压缸腐蚀机理研究［J］．化肥设计，2019，45（5）：40－42．