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9188彩票网上海快3:5083铝合金换热器汞腐蚀机理及脱汞工艺

点击:1360 日期:[ 2014-04-26 21:53:42 ]
                      5083铝合金换热器汞腐蚀机理及脱汞工艺                              羊东明1,刘强1,李亚光2     (1.中国石化西北油田分公司工程技术研究院,乌鲁木齐830011; 2.中国石油大学(北京),北京102249)     摘 要:天然气含有汞,温度低于-40℃时汞蒸汽变为液体,会对铝合金板翅片式换热器产生较强的腐蚀,通过对雅克拉集气处理站汞导致换热设备腐蚀失效实例分析、腐蚀机理认识、脱汞工艺比选和脱汞实施效果的简要论述,为铝合金汞腐蚀研究提供借鉴与参考。     关键词:天然气处理;铝合金换热器;汞腐蚀防护     中图分类号:TG172   文献标识码:A   文章编号:1005-748X(2010)09-0715-03     1 天然气处理工艺流程及汞腐蚀简介     雅克拉凝析气田位于新疆塔里木盆地,地面建有260×104m3/d的雅克拉集气处理站一座(简称雅站),采用膨胀机深冷分离工艺。即天然气经分子筛深度脱水后,经多股流体换热器(简称主冷箱)换冷降温后进行膨胀机制冷到-78℃左右回收轻烃和液化气。     主冷箱是雅站制冷换热的核心设备,属于三股流板翅式换热器,其材质为铝合金,板束体牌号为3003(铝镁合金,高温真空炉钎焊),封头与集流管牌号为5083(铝锰合金,冷扎工艺),工艺介质及参数如表1所示。     2005年11月雅站建成投产,2008年8月主冷箱物流一出口集流管封头焊缝处出现T型裂缝,由于当时未发现积聚汞,结合封头采用冷轧而成的制造工艺,判断为封头制造工艺存在缺陷或封头母材存在夹层等缺陷所致,经补焊处理后恢复正常运行。2009年1月再次发现同一集流管封头焊缝处另一侧出现Y型裂缝,前后经过15次反复“补焊-投用-刺漏-补焊”无效处理,最终在物流一内板束体侧面底部15 cm的不规整裂纹刺漏口发现溢出液态汞,根据ISO 6978-1标准经四川天然气研究院化验结果,确认汞含量73.76μg/Nm3,天然气含汞造成了铝合金换热器严重腐蚀穿孔失效,其汞腐蚀发现过程与2006、2007年海南海然高新能源有限公司的天然气液化装置主换热器腐蚀情况类同[1]。                2 天然气汞来源及汞腐蚀机理     2.1 汞来源     汞属无机物,是地壳深源产物,在地壳的沉积演化过程中,易从深大断裂中运移出来。雅克拉气田位于轮台断裂、亚南断裂两个古老的深大断裂附近,断裂多期运动,具备从地壳中运移出来的条件。汞富集成藏需要良好的构造圈闭条件,汞矿和油气藏成矿都具有相同的构造条件,基本都受背斜(复背斜)构造控制,汞矿床沿背斜轴或其两翼分布,雅克拉气田属于背斜型构造型圈闭,为汞元素成藏提供了先决条件??杉趴死锾烊黄泻泄筒蛔阄?。     2.2 汞腐蚀机理     汞是一种重金属元素,又称水银,常温下呈液态,银白色,是唯一在常温下呈液态并易流动的金属,密度13.596 g/cm3,沸点356℃,凝点-39℃。汞能溶解多种金属形成汞齐,铊在汞中溶解度最大,铁在汞中溶解度最小。在20℃时,Al在汞中溶解度约为2.3×10-3%。     在20世纪70年代,汞对铝合金的腐蚀作用已在液化天然气工业引起了关注[2]。通常天然气中的汞能够通过下面三种机理来退化铝制冷箱材料:     (1)汞融合铝形成汞齐的腐蚀过程 汞与铝不发生反应,但铝会溶解于汞,在其表面生成附着力很小的汞齐,引起铝合金材质表面上致密的氧化铝?;つね崖?对铝产生“剥蚀溶解”,反复下去,汞湿润铝合金,形成Al2O3丝,看上去象铝长毛了一样,日积月累就导致铝合金换热器腐蚀失效,但是汞通常不会通过这些微观裂缝和缺陷达到深层金属。反应方程如下:     Hg+Al→Hg(Al) 汞齐(也叫汞合金) (1)     2Hg(Al)+6H2O→Al2O3+3H2+2Hg (2)     (2)汞和湿气作用加快腐蚀过程 汞齐与天然气中微量的水发生化学反应生成白色粉末状腐蚀产物,形成Al(OH)3,这个过程消耗了少量的汞,表现为均匀腐蚀,即:     Hg+Al→Hg(Al) (汞齐) (3)     2Hg(Al)+6H2O→2Al(OH)3+3H2+2Hg(4)     (3)汞对铝的液体金属脆化腐蚀过程 液体汞对不致密的氧化铝?;つげ妇Ъ涓?造成液体金属脆化(LME),形成铝材的裂缝,表现为汞致晶界腐蚀开裂。汞不仅能够脆化铝合金,也能脆化铜、钛、镍、铁和锌合金。但不会脆化镁合金。液体金属脆化(LME)是一种在毫无征兆前提下发生的复杂金属断裂,通常需要三个条件:一是有脆化作用造成铝合金脆裂的金属存在,汞是众所周知的对铝有严重脆化作用的代表性金属;二是出现高于临界值的应力,对在汞中的铝合金而言,某些情况下,此应力低至屈服应力的5%;三是底层金属被液态金属湿化,对铝合金来说,这种情况发生需要底层金属和液态金属间的氧化层薄膜破裂。     2.3 主换热器腐蚀实例分析     通过返厂检修的主冷箱腐蚀表象可知,由于天然气中含汞造成运行中出现汞腐蚀最严重的部位是5083材质物流一出口封头和集流管、其次是物流二进口集合管和封头,而物流三进口接管外壁腐蚀为物流一渗漏汞所致。腐蚀现象不仅存在汞齐均匀特征,同时也存在汞致晶界腐蚀开裂的液体金属脆化腐蚀特征,如图1所示。其原因:首先是物流一出口、物流二进口运行温度刚好在汞蒸汽容易冷凝析出温度范围(-39℃左右,此温度为汞的三相点),汞对铝破坏形成汞齐,主冷箱多次裂纹刺漏补焊形成了有氧环境,汞齐起到了不断传送Al与空气中O2起反应的作用,同时装置反复停运和投运,天然气脱水深度不够,物流中含水,水与汞齐发生化学反应进一步加快腐蚀进程;而接口管线两端盲段部位底部易形成固体汞沉积和液体汞滞留,液态汞积聚停滞导致铝合金材质表面塑性和韧性降低,通过降低表面能,促进局部塑性变形,进而导致脆断使主冷箱腐蚀失效。                     主冷箱板束体3003材质基本不存在腐蚀现象,原因一是3003材质较5083材质致密、光滑,具有高耐蚀性和高强度、成型性和可焊性好的特点;原因二是板束体经过真空纤接炉高温纤接处理,出炉温度高使其形成致密的氧化膜,不易被汞腐蚀。     3 天然气脱汞工艺比选及实施效果     3.1 脱汞工艺     如果天然气中含有汞,即使其含量极低,在一定工况下和时间内,也会造成铝合金冷箱腐蚀穿孔,引发气体泄漏、装置停产,造成巨大的经济损失和安全隐患。目前,在天然气工业中常用的脱汞方法有两种[3]。     (1)不可再生工艺:通常采用浸渍硫的活性炭脱汞,利用活性炭较大的比表面,浸渍在活性炭表面的硫与天然气中的汞发生反应来脱除汞,投资约153.63万元。     (2)可再生工艺:通常是采用脱汞型分子筛HgSIV-3吸附脱汞,与脱水型分子筛联合作用,可在脱水的同时脱除汞,并可再生,投资约210.73万元。     从两种工艺对比看,更换分子筛脱汞方案虽然可以再生,但是汞随着再生气又进入系统,雅站再生气有两个用途,一是作为燃料气,二是去下游化肥厂,对下游的影响难以预测,且投资较高;浸渍硫的活性炭脱汞可以解决汞对系统的影响,投资较低,吸收汞后的活性炭可由活性炭厂家回收处理,因此采用浸渍硫的活性炭脱汞工艺,其工艺流程如图2所示。                    3.2 实施效果     在不改变产品的流向条件下,在分子筛粉尘过滤器后增加两个脱汞塔+天然气脱汞过滤器,单塔吸附周期为3年,一用一备切换使用。由分子筛干燥塔脱水后的天然气由上部进入天然气脱汞塔,与塔内装填的载硫活性炭吸附剂接触,将汞脱除,2009年9月天然气脱汞流程投产,现场采用RA915+塞曼效应汞分析仪监测显示,脱汞后汞含量约为0.03μg/Nm3,脱汞效率达到99.95%,满足主换热器安全运行的需要将气体干燥达到脱汞目的。     4 结束语     板翅式换热器常用于要求回收乙烷的轻烃回收、液化天然气、天然气脱氮和脱氨工艺中,通过深冷低温气体和常温原料气多级换热,使原料气温度降低。如果天然气中含有汞,即使其含量极低,也会在温度低于-40℃时,汞蒸汽变为液体时对板翅式换热器和铝制品设备产生腐蚀,原料气的汞可用脱汞塔脱除,脱汞塔类似于固体干燥剂床,内装带有含硫物的活性炭,含硫物与汞生成赤色硫化汞沉积于床内,运行一定周期后更换新床层,脱汞塔可使气体汞含量减少至0.01μg/N·m3,为避免气体带水带液,脱汞塔常装于气体脱水单元下游,气体的空塔速度常大于5 m/s,气体在塔内的停留时间不少于10 s。 参考文献: [1] 夏静森,王遇冬,王立超.海南福山油田天然气脱汞技术[J].天然气工业,2007,27(7):127. [2] 张林松,杨光,赵万鹏,等.天然气液化厂站脱汞的探讨[J].煤气与热力,2008,28(8):B10-B12. [3] 冯叔初,等.油气集输与矿场工艺[M].北京:中国石油大学出版社,2006. [4] 张华.雅克拉-大涝坝集气处理站天然气脱汞工程可行性研究报告(内部资料)[Z].
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