苯乙烯装置尾气系统管道壁减薄速率增大的原因分析

耿晓煜，乔英会，于永刚，蒋峰，陈勇

(中国石油独山子石化公司乙烯厂烯烃一联合车间，新疆 独山子 833699)

0 引言

新疆独山子石化公司苯乙烯装置设计为年产苯乙烯32万吨，2009年9月投料试车成功。采用美国Stone&Webster公司技术，以乙烯和苯做为原料，利用Exxon Mobil的EBMax液相烷基化制EB技术、TOTAL/BAGER的绝热脱氢技术生产粗苯乙烯，通过苯乙烯精馏生产纯度99.9% (质量分数)的苯乙烯单体。苯乙烯产品主要作为聚苯乙烯和丁苯橡胶装置的原料。苯乙烯装置包括乙苯单元、苯乙烯单元、中间罐区等多个工段，2009年9月到2019年1，苯乙烯单元工段中E-2439至E-2420段工艺管线出现过1次泄漏。

1 工艺简介及生产现状

1.1 管线定点腐蚀测厚

2020年8月，装置按计划进行定点腐蚀测厚，发现脱氢尾气系统E-2439入口、E-2439出口至E-2420入口管线上的弯头存在不同程度减薄现象。该段管线管径为DN500，原始壁厚为10 mm。当日下午，研究院进行复测，结果相近：E-2439至E-2420管线上的3个弯头(2019年8月更换)均存在不同程度金属减薄损失。该管段第一个弯头金属损失30.4%，第二个弯头有2个点扫查为4.2 mm和5.08 mm，旁边都是9 mm左右，怀疑是气孔或者是夹层，具体不好准确判断；第三个弯头金属损失51.3% (2019年1月出现泄漏)；E-2439入口的弯头(8号)也存在减薄，但该弯头自2009年开工运行至今一直未进行更换。测量壁厚为8.19 mm，在原始壁厚基础上减薄14%。E-2420出口至E-2406、E-2406出口管线均未发现减薄。

1.2 生产现状

2009年9月到2019年1月，苯乙烯单元E-2439至E-2420段工艺管线仅出现过1次泄漏，10年间，管道壁减薄速率1 mm/a ((10～0 mm)/10a)。2019年7月装置停工检修，9月检修完毕投料开车。到2020年8月，定期定点测厚时发现，E-2439至E-2420段工艺管管道壁最薄点，仅有4.87 mm，管道壁减薄速率竟然高达5.13 mm/a。横向相比较，管道壁减薄速率增长413%。

1.3 尾气系统工艺简介

E-2439至E-2420段工艺管线，是苯乙烯单元尾气系统中一段重要的工艺管线。在苯乙烯单元，乙苯与蒸汽混合进入脱氢反应器，在催化剂作用下反应，生成产物为气相苯乙烯、氢气、CO2、CO、C2H4、甲苯、苯、水蒸气等组分组成的混合物。生成的混合物经过三联换热器换热后，温度从562 ℃左右降温至125 ℃左右。125 ℃左右的混合物，进入粗苯乙烯冷却器E-2205，进一步冷却至36 ℃，进行气液两相分离。分离出的气相，经尾气压缩机K-2471增压至约140 kPaA，温度升至125 ℃。经增压、增温后的气相，进入尾气/粗苯乙烯换热器E-2439管程，高温气体热被利用加热其他物料。从E-2439出来的物料进入脱氢尾气后冷器E-2420管程，被壳程循环水冷凝，最终在粗苯乙烯尾气冷凝器E-2406管程，被壳程冷冻水冷凝至约12 ℃左右。12 ℃左右的物料进入尾气吸收塔C-2506，进一步回收烃类，回收完烃类的尾气最终进入氢气压缩机，增压至2.5 MPaA送出苯乙烯装置界外[1]。

2 E2439至E2420管道壁减薄速率增大原因

2.1 E2439至E2420管道中物流变化

2.1.1管道内物流中CO2组分(分压)变化

随机收集了大检修(2019年8月)前和管线测厚前的部分生产运行数据。对比后发现，装置负荷变化不大，略高于设计值。尾气物流中二氧化碳含量比大修前降低1.06% (体积分数)，按照流体中CO2组分含量越高腐蚀速率越高的原则，气相中的二氧化碳含量、分压不是该段管线腐蚀加剧的主要因素。

2.1.2 E2439至E2420管道内流体温度变化

随机收集了大检修前、大检修后低负荷运行期间和测厚前，尾气系统部分生产运行数据。对比后发现，低负荷运行期间、测厚前，尾气压缩机进、出口温度及E-2439进、出口(E-2420入口)温度均有很大的变化。

2.2 E2439至E2420管道内流体温度降低对管道壁减薄速率的影响

2.2.1 流体状态变化

由收集到的数据发现，低负荷运行期间尾气系统各点温度变化很大，尤其E-2439入口温度，与大检修前相较，降低46 ℃，由气相进料变成了气液两相进料。干燥的CO2对金属材料没有腐蚀作用，但是CO2溶于水中对金属材料，尤其是钢材有极强的腐蚀性，这是8号点产生CO2腐蚀的重要原因。

2.2.2 CO2腐蚀变化

E-2420入口温度在低负荷运行期间，比大检修前降低17.9 ℃；测厚前比之大检修前降低9 ℃。流体温度越低，CO2在水中溶解度越大，管道内冲刷腐蚀加剧，低负荷运行期间和测厚前，E-2439至E-2420段工艺管道内温度低导致CO2腐蚀比大检修前增加了，最严重的是低负荷运行期间。温度降低应是E2439至E2420管道壁减薄速率增大的原因之一。

2.2.3 流体中水含量的变化

利用Aspenhysis流程模拟软件，模拟出了E-2439出口至E-2420段工艺管道内，压力不变，不同温度状态下流体中水含量的变化情况。

从模拟数据可以看出，随着该段管道内流体温度降低，冷凝水量急剧增大。测厚前冷凝水量比大修前增加31.2%；低负荷运行的一个月中，冷凝水量比大修之前增加了50.7%。根据流体中水含量越高，管道内冲刷腐蚀越严重原则，这两段时间内，E-2439出口至E-2420段工艺管道内，冲刷腐蚀加剧，腐蚀速率大幅升高。气液两相流中液相量增大，冲刷腐蚀加剧也是是E2439至E2420管道壁减薄速率增大的原因之一。

2.2.4 管道内流体的其他变化

同时在低负荷运行期间，由于冷凝量的增加，流体的平均密度由40.83 kg/m3增长至51.72 kg/m3。对弯头等流体方向变化剧烈的地方的剪切应力增强导致腐蚀加剧。

综上所述，E2439至E2420管道内流体温度降低，是管道壁减薄速率增大的直接原因。

3 结语

通过一系列的对比、分析，我们弄清楚了E2439至E2420管道壁减薄速率增大的直接原因，是管道内流体温度降低。根据分析出的原因，制定了降低管道壁减薄速率的措施。

(1)通过调整操作适当提高尾气压缩机入口温度，以提高其出口温度，进而提高E2439至E2420段管道内流体的温度。目的是减弱冲刷腐蚀的强度、消除冲蚀磨损现象；

(2)通过增加E-2439至E-2406的切液线，以期减少管道中液相物料的质量流量，降低物料中水含量、降低流体密度等，最终目的是减弱冲刷腐蚀的强度、消除冲蚀磨损现象；

(3)定期对该管段的弯头进行定点测厚，监控管道壁减薄情况，掌握实时动态，及早发现隐患，及早着手处理。