灰水系统管道阀门损毁原因分析与对策.pdf

收稿日期2006 - 01 - 04 收修改稿日期2006 - 03 - 07 灰水系统管道阀门损毁原因分析与对策 周 夏,高淑萍 山东华鲁恒升化工股份有限公司,山东 德州 253024 摘要针对水煤浆加压气化工艺中灰水系统一些管道、 阀门出现的腐蚀、 穿孔等损毁现象,从电化学腐 蚀和磨损腐蚀方面分析了造成上述损毁的原因,从材料选用、 结构改造、 工艺与设备管理等方面提出了 解决对策。 关键词黑水/灰水;腐蚀;对策 中图分类号TQ050.9 ;TQ055 文献标识码A 文章编号1004 - 9614200603 - 0022 - 03 Reasons for Damage of Pipings and V alves in Ash Water System and Adoption of Preventive Measures ZHOU Xia , GAO Shu2ping Shandong Hualu2Hengsheng Chemical Co. ,Ltd ,Dezhou 253024 ,China Abstract Aimed at the phenomenon of corrosion and perforation in ash water system in the coal2water slurry pressured gasification tech2 nology ,this paper analyzed the reasonsfrom electrochemistry corrosion and wear corrosion ,and presented the Countermeasuresfrom mate2 rial using ,structure reing ,process and equipment management ,etc. Key word black water/ ash water;corrosion;countermeasure 0 引言 国内首套3105t国产化大氮肥装置于2002年9 月12日在山东华鲁恒升化工股份有限公司开工建设, 其中,615 MPa水煤浆加压气化工段由磨煤、 气化和灰 水3大系统组成,于2004年10月份建成并开车成功。 灰水系统的任务是将来自气化炉、 水洗塔的黑水 进行闪蒸、 絮凝、 浓缩、 过滤、 澄清后形成灰水,经脱氧 后送气化岗位循环使用。在黑水 灰水处理的过程 中,热量得到了回收。1 a来,灰水系统中高温热水器、 低温热水器和真空闪蒸罐进口工艺管道、 阀门多次出 现腐蚀、 穿孔的现象,给正常生产带来了极大的困难。 严重时这些部位的管道、 阀门使用不到7～10 d就出 现穿孔,需频繁地被动堵漏、 焊补,后来经过几次技术 改造,目前基本解决了灰水系统腐蚀、 穿孔问题。 1 灰水系统工艺流程简介 工艺流程如图1所示。由气化炉来的220～250 ℃ 的黑水经调节阀由610 MPa减压至018 MPa后进高 温热水塔,由水洗塔来的220～250℃ 的黑水经减压阀 由610 MPa减压至018 MPa进高温热水器,黑水中溶 解的H2O、CO2等气体分别在高温热水塔/高温热水器 中闪蒸出来后进入灰水加热器。高温热水塔/高温热 水器排出的黑水经液位控制阀由018 MPa减压至0105 MPa后,温度降为110℃,进入低温热水器进行二级闪 蒸,部分水汽化,自低温热水器顶部至除氧器回收热 量。出低温热水器的黑水经减压阀减压,温度降为 57℃,在真空泵的抽吸下进入真空闪蒸罐进行真空闪 蒸。脱氧后的灰水由除氧器下部排出至除氧水泵加 压,经灰水加热器加热后送水洗塔作洗涤用水。 图1 黑水 灰水处理流程 2 腐蚀原因分析 经过真空闪蒸后,黑水介质中部分成份含量及PH 值、 碱度等数据见表1。 表1 黑水分析数据 日 期 碱度 mmolL - 1 硬度 mmolL - 1 Cl - mgL - 1 CN- mgL - 1 pH值 总固体 mgL - 1 2005 - 03 - 264124816811501158101 856 2005 - 05 - 17714018101841001197173 706 2005 - 07 - 191313017101841001197194 298 由气化炉和水洗塔来的黑水中含有H2O、H2S、 NH 4、CN - 、Cl - 、CO2 - 3 和煤灰等成份,固体悬浮物和浊 度较高,在黑水管道中为多相流,主要为液固两相流。 多相流中材料的损伤形式主要包括电化学腐蚀和磨 2006年 第3期 管 道 技 术 与 设 备 Pipeline Technique and Equipment 2006 No13 损腐蚀。 211 电化学腐蚀 为了避免煤灰等在管道、 设备内沉积发生堵塞, 在通常情况下,控制黑水呈弱酸性。可能造成电化学 腐蚀的是黑水中的CO2、H2S、HCl和HCOOH等介质。 21111 CO2腐蚀 气化反应产生的煤气中含有CO2,CO2极易溶解于 黑水中,并与设备、 管道材料中的Fe元素分别在阴、 阳 极发生离解反应,造成管道腐蚀。随着CO2腐蚀的进 行,金属表面将被腐蚀产物膜Fe3O4所覆盖。黑水管 道、 设备设计选用的材料00Cr19Ni10 ,作为含铬较高的 不锈钢对CO2具有优良的抗腐蚀性能[1],正常情况下, CO2不是造成腐蚀的主要原因。 21112 H2S腐蚀 H2S溶于水形成氢硫酸。氢硫酸也是一种弱酸, 氢硫酸与Fe发生离解反应生成FeS.在PH值 6时, 钢的表面为FeS所覆盖,有较好的保护作用。 煤中的可燃硫在气化炉中生成H2S ,一般进入工 艺气中,不易溶于水,形成氢硫酸比较难。而且,华鲁 恒升气化装置使用的神府煤为低硫煤,含硫量仅 012 ～015 ,黑水中H2S极微量。因此,由H2S引起 的腐蚀也不是主要问题。 21113 HCl腐蚀 黑水中的HCl主要来源于煤中的含氯矿物质,在 气化过程中,含氯矿物质中的金属阳离子转化成相应 的硅酸盐,作为灰渣排出,氯离子则转化成HCl ,继续 以离子化状态溶解于黑水中。不锈钢是依靠材料表 面形成的钝化膜防腐蚀的,氯离子却是钝化膜的破坏 者,它对用作黑水管道、 设备的奥氏体不锈钢有腐蚀 作用。 21114 HCOOH腐蚀 HCOOH性质类似于HCl ,溶解于水中成为甲酸, 离子化程度也较高。黑水中的HCOOH生成于气化反 应区,其反应式为 2CO H2→2HCOOH 反应程度取决于反应压力,当气化压力大于710 MPa时,HCOOH较易生成[2]。华鲁恒升公司气化操作 压力为518～613 MPa ,黑水中的HCOOH对管道、 设备 有腐蚀作用。 212 磨损腐蚀 如果黑水管道中的压力不变化,腐蚀、 磨损和冲 刷并不严重,当压力突然降低,在湍流场合,磨损和冲 刷现象就较为突出,这种情况在其他引进水煤浆加压 气化装置的厂家也很普遍[3 - 4]。 21211 冲蚀 不锈钢的不锈性和耐蚀性源自其表面上形成的 钝化膜,在液固两相流 黑水管道中,煤灰中的硬 颗粒 SiO 2等以微切削、 犁沟和刺入方式对管道进行 着冲刷、 侵蚀。但由于流体的黏性,根据牛顿黏性定 律可知,在管内流速不大,介质流动状态为层流时,管 道中心流速大,速度沿半径方向连续地减小,管壁附 近即边界层流速则为零[5],对于等径水平管道中黑水 的流动,当流速低于临界流速时,固相在一些部位甚 至会发生沉淀,这种情况下,冲刷腐蚀并不严重。 黑水经调节阀减压后,根据伯努利方程式,静压 能转变为动能,流速急剧增加,流动状态呈湍流,边界 层或钝化膜无法形成或很快被夹带着SiO2颗粒的高速 流体给击穿。尤其在调节阀节流口,介质高速流动, 具有强大动能,它可以很快将阀芯、 阀座冲出流线型 的细槽。调节阀后球阀的阀芯、 阀体及阀后管道也会 遭受严重的冲刷磨损,而把新鲜的材料表面暴露在腐 蚀性流体中,进一步承受腐蚀和冲蚀。 当流体流经管道转弯处时,由于弯曲管壁的导流 作用,弯头处流线成曲线运行,并产生离心力,使流体 在弯曲管道内的内外侧流速发生变化,使黑水向外侧 集中,导致弯头出口外侧流速大,内侧流速小,冲刷腐 蚀在调节阀后、 弯头出口外侧非常激烈,这就是高温 热水器和真空闪蒸罐黑水进口管线调节阀后弯头多 次出现穿孔的原因。 黑水的流动情况非常复杂,不仅受到液固两相密 度、 固相含量、 流速变化以及管道形状和布置方式的 影响,而且还受到固体颗粒尺寸的影响。 21212 气蚀 黑水与金属构件作高速相对运动时,由于内部压 力不断地起伏、 突变,使得黑水中的蒸汽以及溶于黑 水中的气体在金属表面反复出现气泡形成及溃灭过 程,气泡在溃灭时产生的冲击波对金属表面产生强烈 的锤击作用,破坏钝化膜和膜下金属,使得正在使用 的阀芯、 阀座表面的材料被冲击成蜂窝状的小孔,这 就是所谓的气蚀。 总之,黑水管道的多相流损毁涉及材料学、 电化 学和流体力学的多学科交叉,是典型的多因素耦合作 用下的材料损伤形式。在压力、 流速没有变化或者变 化比较平缓时,主要表现为电化学腐蚀;在调节阀及 调节阀后管道、 弯头、 阀门部位,主要表现为冲蚀、 气 蚀等磨损腐蚀。华鲁恒升黑水管道材料设计时选用 了00Cr19Ni10 ,对电化学腐蚀有较好的抵抗作用,需要 解决的是磨损、 腐蚀问题。 3 对策探讨 对生产中出现的尺寸较小的管道、 阀门漏点,制 作了夹具进行带压堵漏;对尺寸较大、 不方便用夹具 堵漏的,试用了打水泥混凝土的方法,效果较好。 第3期周夏等灰水系统管道阀门损毁原因分析与对策23 针对灰水岗位减压后管道、 阀门腐蚀、 穿孔问题 的解决对策,进行了一些尝试,其中包括对管道易损 部位堆焊、 采用厚壁管、 耐磨管,对管道内壁衬陶瓷, 对管线布局、 管道结构进行改造等。 311 材料使用 曾采用耐磨的高铬铸铁作阀后管道材料,但其硬 度太高,焊接性较差,很容易出现焊接裂纹。实践证 明,管道内壁衬陶瓷是性价比较好的方法,高温热水 器、 低温热水器进料管减压阀后管道自改用衬耐磨陶 瓷后已使用3个月,没发生以往经常出现的腐蚀、 穿孔 问题。由于衬陶瓷工艺多采用高温离心铸造,对于弯 头内壁衬陶瓷施工不便,于是将真空闪蒸罐进料管调 节阀后DN16″ 大弯头壁厚由原Sch10s改成了Sch80 ,从 一定程度上减缓了穿孔冲漏。 某些双相不锈钢因其较强的加工硬化能力而具 有优良的抗冲蚀性能[6],可以考虑用作减压阀后管道 材料。 对于阀门,在材料方面,主要是采用了对阀芯、 阀 座密封面采取超音速喷涂、 镍基喷焊、 硬质合金喷焊 等表面硬化技术。 312 结构改造 对高温热水器进料管调整了管线布局,将原调节 阀后弯头改为直管,直接进高温热水器。 原真空闪蒸罐进料管线,黑水经调节阀后须再流 经2个大弯头才能进真空闪蒸罐,这2个大弯头经常 被冲蚀穿孔。通过管线调整,将一个弯头改至调节阀 前,这样,减少了该管道被冲透泄漏的可能性。 在对低温热水器进料管道内壁衬陶瓷的同时,加 大了调节阀后管道的内径,以此来降低阀后黑水的流 速,减少了黑水对管道的冲蚀程度。 阀门避免气蚀的最根本方法是结构上实现反气 蚀,转移冲蚀位置,使调节阀的使用压差低于不产生 气蚀的最大压差,这个问题,众多的阀门生产厂家也 都在研究。 上海焦化厂有2套灰水系统可以互相切换,对生 产有很大的好处,避免了一些不必要的停车。建设备 用灰水系统,配备冗余的灰水处理设备很有必要。 313 工艺管理 气化炉带水改变了黑水中灰渣颗粒的沉降过程,使 得整个灰水系统的含固量大大增加,加速了管道、 阀门 的磨损腐蚀[7],工艺上应采取措施防止气化炉带水。 任何物料的设计流速均有一定备用系数,在保证不 产生固相在管道内沉积的前提下,工艺上可控制用最小 流速输送黑水。 调节阀应尽可能避免小开度工作,应尽量保证阀 工作在70 ～80 开度上,以减缓流速,减少黑水中 的颗粒介质对阀门的冲击。调节阀后及副线上的球 阀要么处于 “全开” 位置,要么处于 “全关” 位置。 314 设备管理 对调节阀后管道、 弯头,应该及时检查壁厚,要事 先准备好衬陶瓷管、 厚壁弯头等备件,做到计划检修、 机会检修和预防性检修相结合。 315 其他 2005年4月份之前,一次水置换为20～30 m3/ h , 脱盐水补充为20 m3/ h ,黑水中总固体含量小于 2 000 mg/L ,对管道、 阀门的磨损腐蚀还不是很严重。 2005年4～9月份,由于环保压力,仅有20 m3/ h脱盐 水补充,受生化处理能力所限,系统中总固体含量骤 升,最高值超过4 000 mg/L 见表1 ,灰水系统面临了 很大的困难。应增大生化处理能力,或将系统排出的 废水设法综合利用,在保证环保的前提下,尽量加大 置换量。 参考文献 [1] 李妍.二氧化碳腐蚀与防护综述. 2005 - 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