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          冷卻塔施工

          冷卻吸收塔煙囪腐蝕分析及處理

          文章來源:宏亞高空時間:2020-10-18
          揚子石化2#催化裂化裝置煙氣脫硫脫硝單元采用了DUPONT-BELCO公司的EDV5000濕法洗滌技術,在T-101冷卻吸收塔水平急冷段,在急冷水的作用下將170℃煙氣降至58℃。在NOx氧化反應區,利用臭氧使NOx氧化成N2O5,并與煙氣中的水蒸汽形成硝酸;在吸收段,利用3層吸收噴嘴吸收液的逆向接觸,脫除煙氣中的硝酸、SO2以及粗顆粒等;同時,煙氣中的過剩臭氧使吸收劑中的亞硫酸鈉及亞硫酸氫鈉轉化成硫酸鈉。凈化后的煙氣上升進入過濾模組段,通過28個濾清模塊上的清洗噴頭洗滌,進一步除去煙氣中的顆粒與酸霧。洗滌后的煙氣通過6個水珠分離器進一步分離煙氣中所夾帶的液滴后,從冷卻吸收塔上部煙囪排放。通過脫硫脫硝單元,降低再生煙氣中的SO2、NOx及催化劑粉塵含量,實現煙氣達標排放。  1 設備概況 煙氣脫硫脫硝單元冷卻吸收塔T101由中國石化洛陽工程有限公司設計,寧波天翼石化重型設備制造有限公司制造,2014年7月投入使用。設備主要由筒體、水珠分離系統、過濾模組、急冷噴頭、臭氧注入管、煙囪筒體等部分組成,總高為119700mm,下部筒體直徑為Φ6900mm,上部煙囪直徑為Φ3050mm,殼體材料為S30403+Q345R,不銹鋼復合層厚度為3mm。
          冷卻吸收塔運行參數見表1。

          項目 設計最大值 入口 出口
          煙氣流量/(m3/h) 279623 265200 265200
          煙氣溫度/℃ 190 170 58
          煙氣壓力/kpa 2.71 3 0.5
          25%堿液(kg/h) 1559 1111 /
          臭氧(kg/h) 80 40 /
          工業水(t/h) 25.972 28 /
          ρ(微粒)/(mg/m3) 300 125 25
          ρ(SO2)/(mg/m3) 790 285 28
          ρ(NOx)/(mg/m3) 230 156 22

          2 問題描述
          2016年6月27日,煙囪東側離地面105米處出現腐蝕穿孔,穿孔部位在筒體環焊縫上部約300mm處(如圖1所示),該處筒節壁厚為3+14mm。
          由于腐蝕泄漏位置離地面很高,且周圍沒有可供檢查和檢測的操作平臺,無法測量煙囪的腐蝕區域大小和剩余壁厚,這加大了評估煙囪強度和可靠性的難度,給裝置的安全生產帶來重大隱患。
          2017年設備檢修期間,經對拆下來的舊煙囪檢查,發現腐蝕部位主要集中在煙囪頂向下20米的范圍內,尤其是靠近頂部區域,腐蝕更嚴重。在煙囪頂部拆除的第一段內,即標高EL100160以上部分,檢查出有6處腐蝕較為嚴重的部位,其中有一處已腐蝕穿孔(105米處),第二段上部第二筒節中間區域有一處明顯腐蝕減薄的位置。腐蝕狀況和分布情況見圖2及表2,圖中實線部分為縱、環焊縫。

            位置 腐蝕狀況 標高
          1 第1節筒節上部丁字縫處 焊縫局部表面腐蝕 EL116465
          2 第2節筒節上部西南側焊縫 焊縫已腐蝕,露出基板 約EL114500
          3 第3節筒節上部西南側焊縫 焊縫已腐蝕,露出基板 約EL112500
          4 第5節筒節西側縱焊縫 焊縫局部防腐層腐蝕,露出基板 約EL107500
          5 第6筒節縱焊縫東側 腐蝕穿孔 約EL105000
          6 第7筒節下部環焊縫東側 焊縫兩側表面腐蝕 EL100160
          7 第9筒節南側中部位置 復合層已腐蝕完,露出基板 約EL97160

          3 腐蝕原因分析
          3.1 煙氣脫硫脫硝機理 冷卻吸收塔的主要反應在急冷和吸收段完成。在急冷段,煙氣沿水平方向與臭氧接觸,將煙氣中的NOX氧化成N205,N205再與煙氣中的水蒸汽結合生成硝酸;在吸收段,上升的煙氣與含有25%濃度NaOH的溶液逆向接觸,脫除煙氣中的SO2。冷卻吸收塔內存在的主要化學反應如下:  6NO2+O3 →3N205  N205+H2O →2HNO3  SO2+NaOH →NaHSO3  NaHSO3+NaOH →Na2SO3+H2O  SO3+H2O →H2SO4  2H++SO42-+2Na0H → Na2SO4+2H2O  Na2SO3+1/2O2 → Na2SO4  事實表明:在煙氣進煙囪之前,塔內介質之間的反應并沒有全部完成,其中SO3與水蒸汽的反應還在繼續。  3.2 工藝條件分析 3.2.1 濕法脫硫工藝分析 從運行數據上看,冷卻吸收塔T-101分離效果明顯,催化劑粉塵、SO2、NOx等主要指標完全達到排放標準見表1。但煙囪頂部出現腐蝕泄漏,這表明頂部區域的環境與我們原先所認為的存在出入。通過查閱有關資料以及與貝爾格技術人員交流,認為濕法脫硫工藝對SO3的脫除效果不好。該工藝對SO2脫除率約95%,但對造成濕煙氣腐蝕的主要成分SO3脫除率很低,一般為30%~50%左右,而且在200℃以下煙氣中S03全部以H2S04蒸氣形式存在。
          項目 煙囪頂冷凝液 濾清模塊 塔底 外排
          日期 6.3 7.21 6.3 7.21 6.3 7.21 6.3 7.21
          PH 2.41 2.3 6.91 6.94 6.79 6.62 7.19 6.71
          電導/(ms·cm-1) 3.14 4.15 11.54 11.46 >2000 >2000 >2000 >2000
          NO3-(mg·l-1) 118   124   115   122  
          CL-(mg·l-1) 175 97.5 262 144.9 675 194.9 525 122.5
          SO42-(mg·l-1) 43.9 526 5988 5333 8159 19801 7685 18188
          Ca2+(mg·l-1) 4.8 0 35.3 33.7 69.9 57.7 44.8 46.5
          可溶固(mg·l-1) 700 1878 9800 10964 32300 22099 23500 28976

          3.2.2 水溶液的分析比較
          在6月30日和7月21日兩次煙囪冷凝液采樣做水質分析,PH值為2.3~2.4,呈強酸性,Cl-和SO42-質量濃度見表2,而同時對煙囪下部濾清模塊中過濾液的分析,其PH值在6.9左右,說明酸液在煙囪段聚集形成,并且沿煙囪出口方向濃度在增加,在煙囪頂部位置達到峰值。出現這種現象的原因是凈煙氣中殘留的SO3和水蒸汽反應生成H2SO4,與煙囪器壁上的水珠結合后形成硫酸液滴。隨著煙氣上升越高,煙氣中夾帶的堿液含量將越低,硫酸根中和反應生成硫酸鈉的能力越弱,這就導致煙囪越往上其夾帶溶液的酸值越高。煙囪頂部酸性溶液在煙氣的托力和液滴自身重力作用下,當液滴承受重力大于煙氣脫力時,酸性液滴就沿著煙囪內壁向下運動,使筒體上部區域長期處于強酸環境中。并且,在凸起的焊縫部位,酸性溶液更易積聚,因而對焊縫的腐蝕更為嚴重見表3所示。

          3.2.3 其他元素對腐蝕的影響
          3.2.3.1 氯離子的影響
          煙氣中的氯離子主要來自原料油,從表3可看到,煙脫塔各組分水溶液中CL-含量相當高,氯離子的存在會使冷卻吸收塔中奧氏體不銹鋼設備發生應力腐蝕開裂。主要原因是設備制造時存在焊接殘余應力和鈍化膜帶來的附加應力,氯離子使金屬表面局部的保護膜破裂,破裂處的基體金屬形成微電池陽極,產生陽極溶解,在拉應力作用下保護膜反復形成和反復破裂,就會使局部金屬腐蝕加劇,最后形成孔洞??锥吹拇嬖谠斐蓱?更加速了孔洞表面的塑形變形和保護膜破裂,最終導致金屬應力腐蝕開裂[2]。

          3.2.3.2 釩元素的影響
          催化原料中釩元素嚴重超標,在再生器中生成V2O5,促進SO2轉化為SO3,設計催化裝置原料中釩含量小于5ppm,統計2016年4月至5月原料分析,釩含量最大13.3ppm,最小6.73ppm,平均8.85ppm,嚴重超設計值。
          .3 材料性能分析
          (1)材料耐腐蝕性能不足。
          T101的筒體材質采用Q345R+S30403復合鋼板,不銹鋼復合層厚度為3mm,其耐腐蝕性和耐熱性較好,但在強酸性環境下,因其表面無法形成完好的鈍化膜而產生腐蝕減薄,筒體殘余應力較高的部位(如筒體焊縫部位等)更容易受到腐蝕。

          (2)制造或安裝過程存在缺陷。
          從煙囪的腐蝕部位來分析,7處腐蝕減薄有6處出現在焊縫部位,這說明頂部焊縫處是易腐蝕部位。304L不銹鋼在焊接過程中存在焊接危險溫度區間(為450~850℃),當溫度達到這一范圍時,奧氏體中過飽和的碳向晶間處迅速擴散并在晶粒邊界析出,析出的碳和鉻形成碳化鉻,這樣就大量消耗了晶界處的鉻,使晶界的耐腐蝕能力下降[3]。若筒體安裝時焊接質量控制不佳,堆焊的復合層性能低于304L,這樣遇到強酸環境時,局部腐蝕將加劇。另外,表面復合層堆焊時未達到設計厚度,焊后未對焊縫酸洗鈍化等因素的存在,也會加速焊縫部位的腐蝕。
          4 解決措施及效果驗證
          4.1 優化脫硫吸收塔的操作
          煙脫吸收塔塔底循環漿液的pH值控制在7.0-7.5,濾清模塊的pH值控制在靠近7.5~8.0,PTU排液由11t/h提高至13-14t/h,提高濾清模塊水質防結垢。

          4.2 加強水質監控
          每班使用PH值試紙檢測過濾模組模塊、底部漿液pH值一次,并將化驗pH值數據做好特護記錄,出現誤差時及時聯系儀表對在線pH分析表進行調校。對煙氣凝液定時做pH值分析,根據pH值大小調節注堿量,保證內壁冷凝液的酸度在合適范圍。

          4.3 煙囪材質升級
          4.3.1 煙囪選材
          2016年10月26日,總部專家組針對揚子石化催化裂化裝置冷卻吸收塔煙囪腐蝕穿孔召開專題會,根據會議討論的更換煙囪材質升級選擇建議,初步確定煙囪材質在317L、Q345R+Ti、Q345R+S22053和C-276四種材質中選擇一種。

          公司在對這四種材質從價格、采購周期、焊接制造工藝等方面進行分析比較,認為:317L焊接性能最好;鈦材復合板對焊接環境要求比較高,焊接前對焊縫坡口處理要求高,同時需要采用惰性氣體保護焊,現場組對焊接時有一定難度;雙相鋼復合板主要針對點蝕和縫隙腐蝕防腐,焊接過程中可能會出現鐵素體含量偏高或偏低,需要加大檢測比例,焊后需要進行熱處理;C276焊接性能和防腐性能最優。

          從防腐角度考慮:Q345R+C276>Q345R+Ti>Q345R+S2205>317L

          從焊接角度考慮:317L>Q345R+C276>Q345R+S2205>Q345R+Ti

          因此,從煙囪使用壽命、焊接工藝性能和現場施工等多方面角度考慮,冷卻吸收塔煙囪材質選擇順序為:Q345R+C276>317L>Q345R+Ti>Q345R+2205

          由于哈氏合金供貨周期較長,綜合考慮本次冷卻吸收塔煙囪材質采用317L。

          4.3.2 煙囪更換范圍
          根據設備腐蝕狀況,確定2017年檢修更換的部位為煙囪主體及上過渡段,具體位置為EL54460以上部分的過渡段及EL54660以上的內筒及煙囪。

          4.3.3 煙囪的拆除和安裝
          煙囪的拆除分為四段,主要是考慮到舊煙囪腐蝕減薄情況不明,為降低吊裝風險,盡可能采用多段吊裝,拆除位置的標高分別為EL100160、EL84060、EL66460和EL54460。拆除時采用先掛鉤、后落架,最后再割除的順序依次從上往下進行。

          新筒節分四段到貨,上過渡段與長為11.74米的筒節垂直組對,另外兩截水平組對。組對過程中,要求施工人員控制焊縫錯邊量不得超過3mm,另外焊接完成后,焊縫需經20%的RT檢測,待檢測合格后,再將內部焊縫余高磨平,以防投用后在焊縫處積液。地面預制完成后分兩次進行新過渡段筒節和新煙囪筒節回裝。新過渡段筒節組對時需先固定內筒,在內筒定位后,再組對外筒節。由于新過渡段的厚度為24mm,而舊筒節的厚度為24+3mm,新舊筒節不等厚,因此,在組對時要求以內壁為基準,并且要求過渡段下口焊縫錯邊不得超過5mm。70米處焊口因壁厚相同,組焊相對要簡單一些,但為保證焊接質量,要求必須雙面焊。在地面時,過渡段內筒筒節內就利用內支撐先搭好了組對用的腳手架,煙囪筒節外部利用平臺也搭設了組對用的腳手架,內、外腳手架隨過渡段一起吊裝。

          4.4 效果驗證
          2019年4月裝置檢修,為了驗證煙囪更換后的效果,在煙囪內搭設了30米高的腳手架(標高約為73000mm)。站在架子頂上,通過目視檢查,在煙囪頂部區域未發現器壁有暗影、毛糙等可能存在腐蝕的部位,這表明2017年煙囪材質的升級和更換效果良好。

          5 結束語
          本次冷卻吸收塔檢修通過更換煙囪,消除了煙囪漏點,同時通過材質升級,提高了煙囪抗腐蝕能力,解決了煙囪因材質、施工問題而存在的安全隱患。另外,通過對內件的檢查,掌握了冷卻吸收塔在運行過程中存在的問題和器壁的腐蝕狀況,對今后的備品備件準備及工藝操作的調整提供了依據。
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