液硫儲(chǔ)罐是天然氣凈化廠硫磺回收裝置實(shí)施腐蝕控制的重點(diǎn)設(shè)備，因此需要定期開(kāi)展檢測(cè)與評(píng)估，判斷其存在的腐蝕形態(tài)及嚴(yán)重程度。采用宏觀檢查、無(wú)損檢測(cè)、硬度檢測(cè)和金相分析等方法對(duì)液硫儲(chǔ)罐的整體現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的檢測(cè)、分析及評(píng)估，結(jié)果表明：儲(chǔ)罐外壁下部存在少量局部腐蝕、頂板外部防腐涂層破損嚴(yán)重，儲(chǔ)罐內(nèi)部的噴鋁層脫落嚴(yán)重，管壁存在少量局部腐蝕?？傮w評(píng)價(jià)認(rèn)為：液硫儲(chǔ)罐的整體狀況良好，在其缺陷得到修復(fù)并復(fù)查合格后，能夠滿足下一周期安全運(yùn)行的使用要求。
【基金】中國(guó)石化科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,高酸性天然氣凈化裝置腐蝕與控制研究(317017-14)
天然氣凈化廠硫磺回收裝置的液硫儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存熔融態(tài)硫磺的常用設(shè)備，其設(shè)計(jì)使用壽命通常為10～15 a。在液硫儲(chǔ)罐的運(yùn)行過(guò)程中，由于液硫儲(chǔ)罐長(zhǎng)期處于酸性腐蝕環(huán)境，故易發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致金屬罐壁均勻減薄和局部腐蝕發(fā)生 [1-4]。當(dāng)腐蝕嚴(yán)重時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)罐內(nèi)加熱盤管腐蝕泄漏、罐頂及通氣孔等部位腐蝕穿孔和斷裂等問(wèn)題。腐蝕嚴(yán)重的部位積聚較多的FeS,也容易發(fā)生FeS自燃[5-7]。由于液硫儲(chǔ)罐是硫磺回收裝置腐蝕控制的重點(diǎn)設(shè)備，因此需要定期開(kāi)展腐蝕檢測(cè)、分析與評(píng)估，判斷腐蝕形態(tài)及嚴(yán)重程度，然后有針對(duì)性地提出腐蝕控制措施，消除存在的安全隱患，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以某天然氣凈化廠硫磺回收裝置液硫儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，通過(guò)全面的腐蝕檢測(cè)分析，對(duì)液硫儲(chǔ)罐的適用性進(jìn)行了評(píng)估，也為其他企業(yè)的液硫儲(chǔ)罐評(píng)估提供借鑒和參考。
1 液硫儲(chǔ)罐概況
某高酸性天然氣凈化廠共建設(shè)有10臺(tái)容積為5 000 m3的液硫儲(chǔ)罐，供硫磺成型單元進(jìn)行固化成型。按照GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50128—2014《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工規(guī)范》對(duì)10臺(tái)液硫儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其基本情況見(jiàn)表1。
液硫儲(chǔ)罐為固定頂立式圓筒型的鋼質(zhì)罐，采用自支撐拱頂。罐內(nèi)底部及罐壁設(shè)有浸沒(méi)式加熱盤管，采用低壓蒸汽加熱，儲(chǔ)罐整體外包保溫層，維持罐內(nèi)液硫的溫度在135 ℃左右。罐體由四圈罐壁板上下拼接而成，由上至下共6層鋼板，鋼板厚度分別為8，9，9，11，14和16 mm，儲(chǔ)罐頂板、底板和邊緣板的厚度分別為8，10和12 mm，頂板和壁板材質(zhì)為Q345R，底板和邊緣板的材質(zhì)為Q235B，罐頂、罐壁和罐底的腐蝕余量均為2 mm，罐內(nèi)采用熱噴鋁防腐涂層。2018年10月選取液硫儲(chǔ)罐T-003進(jìn)行了全面的腐蝕檢測(cè)、分析及評(píng)估，對(duì)液硫儲(chǔ)罐的整體腐蝕情況有了掌握。
表1 液硫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)操作參數(shù)
2 腐蝕檢測(cè)與分析
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30578—2014《常壓儲(chǔ)罐基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)》 、SY/T 6620—2014 《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》、SY/T 6306—2014 《鋼質(zhì)原油儲(chǔ)罐運(yùn)行安全規(guī)范》和NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》，采用目視檢查、超聲檢查、滲透探傷和磁粉探傷等手段對(duì)液硫儲(chǔ)罐的整體腐蝕情況進(jìn)行了全面檢測(cè)。
2.1 宏觀檢查及測(cè)厚
分別對(duì)液硫儲(chǔ)罐的罐體結(jié)構(gòu)、罐體壁板、頂板及附件、內(nèi)部底板和罐體基礎(chǔ)進(jìn)行全面的宏觀檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 液硫儲(chǔ)罐的宏觀檢查結(jié)果
宏觀檢查發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐外壁、頂板外表面及加熱管防腐涂層出現(xiàn)大面積脫落，局部輕微腐蝕，最大腐蝕深度小于1 mm；第一層壁板下部由焊縫以上300 mm位置涂層破損脫落，局部腐蝕嚴(yán)重，最大腐蝕深度約1.5 mm；儲(chǔ)罐操作平臺(tái)、踏板、頂部護(hù)欄等附件腐蝕輕微，儲(chǔ)罐地基局部破損。儲(chǔ)罐外部腐蝕的主要原因在于大氣中水分穿過(guò)保溫層后滯留在罐壁與保溫層之間，水分在罐壁表面與氧氣、酸性組分共同作用持續(xù)腐蝕罐壁表面，特別是在罐壁表面涂層破損、脫落處發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[8]。此次全面宏觀檢查發(fā)現(xiàn)罐外部主要是局部腐蝕，表現(xiàn)形式為坑蝕。
檢查儲(chǔ)罐內(nèi)部發(fā)現(xiàn)：底板中幅板表面噴鋁層絕大多數(shù)破損脫落，腐蝕發(fā)生在噴鋁涂層脫落的部位，主要表現(xiàn)為均勻腐蝕和坑蝕。底板邊緣板表面噴鋁層完全脫落，表面存在多處坑蝕，腐蝕深度約1 mm，北側(cè)坑蝕最嚴(yán)重，其深度約2.2 mm。頂板表面噴鋁層約70%破損脫落，未見(jiàn)明顯腐蝕。壁板噴鋁層發(fā)生局部破損，面積約占5%，第三、四層壁板存在多處圓形和溝槽狀深坑，其中圓形深坑最大深度約4 mm、溝槽狀深坑最大深度約5 mm，其他部位腐蝕輕微。儲(chǔ)罐內(nèi)的操作介質(zhì)有液硫、硫蒸氣，N2，O2，H2S和SO2，腐蝕形式主要是元素硫腐蝕和低溫酸性氣腐蝕，在噴鋁涂層失效后，腐蝕介質(zhì)直接與金屬表面接觸，主要表現(xiàn)形式為均勻減薄和局部腐蝕[9]。
對(duì)儲(chǔ)罐底板、壁板、頂板和盤管進(jìn)行了密集超聲測(cè)厚，將儲(chǔ)罐的每個(gè)區(qū)域劃分多個(gè)部位，每個(gè)部位選取5個(gè)測(cè)厚位置，部分測(cè)厚數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。經(jīng)密集測(cè)厚發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐整體均勻腐蝕減薄較少。
表3 液硫儲(chǔ)罐測(cè)厚情況匯總
2.2 噴鋁涂層檢查
噴鋁涂層對(duì)鐵基材料具有雙重保護(hù)作用：一方面覆蓋在金屬表面，將碳鋼與腐蝕介質(zhì)進(jìn)行隔離，從而起到防護(hù)作用；另一方面，由于鋁的電極電位比鐵低，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，鋁是陽(yáng)極，碳鋼則為陰極，使碳鋼因極化而受到保護(hù)[10-11]。按液硫儲(chǔ)罐內(nèi)的腐蝕速率選取10 μm/a，噴鋁的厚度為0.25 mm。儲(chǔ)罐內(nèi)噴鋁的范圍主要包括底板、壁板、頂板的內(nèi)表面及加熱盤管等。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，液硫儲(chǔ)罐運(yùn)行9 a后，罐內(nèi)噴鋁涂層破損脫落嚴(yán)重。液硫儲(chǔ)罐運(yùn)行期間，儲(chǔ)罐頂板、壁板及附件等部位受到溫度變化影響，在熱循環(huán)作用下，不斷熱脹冷縮導(dǎo)致罐壁噴鋁層會(huì)產(chǎn)生裂紋、鼓脹，甚至破損脫落，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)直接與金屬表面接觸發(fā)生腐蝕。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：罐內(nèi)的腐蝕均發(fā)生在噴鋁層損壞脫落的區(qū)域，而噴鋁層完好的部位，防腐效果良好。針對(duì)噴鋁層進(jìn)行測(cè)厚檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)涂層完好部位中約50%的厚度小于0.20 mm，壁板的部分測(cè)厚數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
表4 儲(chǔ)罐壁板噴鋁層的部分測(cè)厚數(shù)據(jù)
2.3 無(wú)損檢測(cè)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)液硫儲(chǔ)罐T-003進(jìn)行漏磁、磁粉、滲透、超聲波和衍射時(shí)差法超聲(TOFD)等無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，經(jīng)滲透、磁粉、超聲和TOFD檢查，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；經(jīng)漏磁檢查，底板未發(fā)現(xiàn)腐蝕當(dāng)量大于20%的缺陷。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394.1—2014《金屬材料里氏硬度試驗(yàn)》，采用DHT-300里氏硬度計(jì)對(duì)儲(chǔ)罐底板、壁板和頂板進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，液硫儲(chǔ)罐各部位材料的硬度在允許范圍內(nèi)(
表5 儲(chǔ)罐T-003檢測(cè)方法、部位及結(jié)果
圖1 液硫儲(chǔ)罐各部位的硬度測(cè)試結(jié)果
2.4 金相檢測(cè)
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用徠卡工業(yè)顯微鏡分別對(duì)儲(chǔ)罐頂板、壁板和底板的焊縫區(qū)域進(jìn)行金相分析，壁板和頂板的金相組織見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：液硫儲(chǔ)罐頂板、壁板和底板的焊縫、熱影響區(qū)及母材等金相組織均為鐵素體+珠光體，各部位組織正常。
圖2 焊接接頭的金相組織 200×
3 液硫儲(chǔ)罐的綜合評(píng)估
3.1 綜合評(píng)估結(jié)果
(1)儲(chǔ)罐外壁第一層壁板下部，自環(huán)焊縫向上高度約300 mm位置整圈防腐涂層破損脫落，局部腐蝕嚴(yán)重，最大腐蝕深度約1.5 mm。
(2)儲(chǔ)罐頂板外部及頂板加熱管局部有輕微腐蝕，最大腐蝕深度小于1 mm，頂板加熱管約90%的防腐涂層破損脫落。
(3)儲(chǔ)罐內(nèi)底板中幅板和邊緣板表面噴鋁涂層全部破損脫落(100%)，表面局部腐蝕嚴(yán)重，其中邊緣板的最大腐蝕深度約2.2 mm，中幅板的最大腐蝕深度約1.5 mm。
(4)儲(chǔ)罐壁板內(nèi)部噴鋁層約5%出現(xiàn)破損脫落，局部腐蝕主要集中在壁板B3-5，B3-6，B4-3和B4-4板，表現(xiàn)為圓形深坑和溝槽狀深坑，其中圓形深坑最大深度約4 mm，溝槽狀深坑最大深度約5 mm。
(5)儲(chǔ)罐頂板內(nèi)部噴鋁涂層約70%發(fā)生破損脫落，未見(jiàn)明顯腐蝕。
(6)對(duì)噴鋁層進(jìn)行測(cè)厚檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)涂層完好部位中約50%的厚度小于0.20 mm(初始厚度0.25 mm)。
(7)測(cè)厚、金相及其他無(wú)損檢驗(yàn)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。
3.2 修復(fù)措施
(1)對(duì)儲(chǔ)罐外壁第一層下部腐蝕缺陷重新打磨，破損的防腐涂層按照相關(guān)規(guī)范重新涂敷，經(jīng)復(fù)檢合格。
(2)對(duì)儲(chǔ)罐頂板外部腐蝕嚴(yán)重部位打磨圓滑過(guò)渡，頂板外部及加熱管整體重新打磨后涂敷防腐涂層，經(jīng)復(fù)檢合格。
(3)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部壁板深坑缺陷打磨并補(bǔ)焊，底板腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行打磨圓滑過(guò)渡。
(4)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部頂板和底板進(jìn)行整體噴鋁，壁板的噴鋁涂層破損處重新噴鋁，經(jīng)復(fù)檢合格。
4 結(jié) 論
(1)通過(guò)對(duì)液硫儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)資料審查、現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查、無(wú)損檢測(cè)、硬度檢測(cè)和金相分析，查找腐蝕成因，并針對(duì)局部缺陷進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)復(fù)檢結(jié)果表明儲(chǔ)罐整體狀況良好，滿足下一周期安全運(yùn)行的使用要求。
(2)噴鋁涂層在高溫硫環(huán)境和濕硫化氫環(huán)境中具有良好的防護(hù)效果，能顯著提高大型液硫儲(chǔ)罐內(nèi)部的耐蝕性能；但是在熱循環(huán)作用下，噴鋁涂層會(huì)產(chǎn)生裂紋、鼓脹，導(dǎo)致破損脫落，應(yīng)加強(qiáng)熱噴涂鋁施工檢查和驗(yàn)收，需在運(yùn)行兩個(gè)周期后開(kāi)罐抽檢。
(3)通過(guò)開(kāi)展宏觀檢查、超聲測(cè)厚和硬度測(cè)試等常規(guī)檢查，再加上滲透、超聲波和磁粉等無(wú)損檢測(cè)，結(jié)合金相分析，對(duì)液硫儲(chǔ)罐進(jìn)行了全面檢測(cè)、分析及評(píng)估。
本文作者：張 杰 (中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田普光分公司）
