陳永凱

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 751000)

1 硫黃回收裝置液硫系統(tǒng)簡介

1.1 硫黃回收裝置

某化工廠硫黃回收裝置設計規(guī)模為2×50 kt/a，裝置由制硫單元、尾氣處理單元、液硫脫氣單元、尾氣焚燒單元及液硫成型單元組成。液硫脫氣單元由液硫池、液硫泵及抽氣器等組成，液硫池為液硫脫氣單元的主要設施，它收集由制硫單元各級冷凝冷卻器捕集后經(jīng)硫封罐處理后的液態(tài)硫黃。液態(tài)硫黃在液硫池內(nèi)循環(huán)脫氣后由液硫提升泵送至液硫成型單元，經(jīng)過造粒、打包后作為成品出廠。

1.2 液硫池

兩套硫黃回收裝置分別設置一個液硫池，液硫池的作用是收集自各冷凝冷卻器捕集來的液硫，液硫池分為兩個區(qū)：脫氣區(qū)和產(chǎn)品區(qū)，見圖1。液硫通過脫氣設施脫氣后，溢流至產(chǎn)品區(qū)，通過液硫提升泵送至液硫成型單元。

液硫池采用耐酸耐溫磚砌筑，用耐高溫防腐結構膠泥做防腐處理。為保證液硫的流動性，池內(nèi)設置9組0.35 MPa蒸汽加熱盤管，材質為316L。

圖1 典型的液硫池結構

2 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕分析

2.1 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕

液硫系統(tǒng)試車采用外購的固態(tài)硫黃倒入液硫池，通過0.35 MPa蒸汽加熱使之變?yōu)橐簯B(tài)。液硫系統(tǒng)試運過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)液硫脫氣泵伴熱管(材質為316L)腐蝕穿孔(見圖2),加熱蒸汽盤管產(chǎn)生腐蝕斷裂(見圖3),液硫脫氣泵夾套筒節(jié)(材質為316L)產(chǎn)生環(huán)狀腐蝕(見圖4)。腐蝕部位均位于液硫液面附近,其最大腐蝕速率達48 mm/a。

圖2 液脫氣泵伴熱管腐蝕穿孔

圖3 液硫池蒸汽伴熱管腐蝕斷裂

圖4 液硫脫氣泵夾套筒節(jié)環(huán)狀腐蝕

2.2 宏觀檢查

脫氣泵伴熱管外壁腐蝕穿孔，穿孔附近有大片蝕坑,內(nèi)壁無腐蝕減薄情況。加熱蒸汽盤管斷口位置在液硫實際液位附近，管內(nèi)壁未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，平整、無臺階，斷口管內(nèi)外壁無明顯的塑性變形；外壁有蝕坑和腐蝕減薄，斷口呈臺階狀斷面(見圖5)。液硫脫氣泵夾套筒節(jié)腐蝕坑最大深度2.3 mm，沿周向呈環(huán)帶狀分布。

圖5 蒸汽伴熱管斷口腐蝕形貌

2.3 斷口能譜分析

斷口能譜分析結果見圖6和表1。由此可見：腐蝕產(chǎn)物主要含有碳、氧、鈉、鋁、硫、鈣、鉻和鐵等元素。

圖6 斷口能譜分析

表1 斷口能譜分析結果

2.4 斷口金相檢驗

伴熱管斷面的金相組織為奧氏體，晶粒度為6級到7級，組織正常，見圖7。

圖7 伴熱管斷面的金相組織

2.5 伴熱管垢物能譜分析

伴熱管垢物能譜分析結果見表2。由表2可知，腐蝕產(chǎn)物主要含有硫、硅、氧、鈣、鉻、鐵和鎳等元素。

表2 伴熱管垢物能譜分析

2.6 池底硫黃能譜分析

池底硫黃能譜分析見表3。由表3可見，碳元素的存在說明硫黃中含有碳的化合物雜質。

表3 池底硫黃能譜分析結果

3 失效原因綜合分析

3.1 其他故障因素的排除

蒸汽伴熱管壁厚未發(fā)現(xiàn)減薄，排除拉伸造成斷裂。蒸汽伴熱管、底部支管和機泵夾套筒節(jié)腐蝕形貌相似，排除局部腐蝕及應力腐蝕可能。

蒸汽伴熱管和機泵夾套筒節(jié)材質經(jīng)過多次檢測，元素含量在規(guī)定范圍內(nèi),金相檢驗未發(fā)現(xiàn)異常組織，排除材質缺陷引起的腐蝕失效。

3.2 硫黃環(huán)境下的金屬腐蝕機理

硫黃環(huán)境下的金屬腐蝕主要有高溫硫腐蝕、硫酸露點腐蝕、其他腐蝕[1]及電化學腐蝕[2]。

高溫硫腐蝕是在一定的溫度下金屬與硫及硫化物發(fā)生作用，溫度越高，腐蝕現(xiàn)象越嚴重。其主要反應如下：

(1)

(2)

硫酸露點腐蝕是濕硫化氫環(huán)境下硫氧化物與水結合生成亞硫酸及硫酸對金屬產(chǎn)生腐蝕。其主要反應如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

電化學腐蝕是金屬表面與離子導電介質(電解質)發(fā)生電化學反應而引起的金屬破壞。液硫環(huán)境下當有水存在時會發(fā)生明顯的電化學反應。其反應式如下：

(8)

(9)

3.3 腐蝕條件的形式

液硫池密封效果差，水從頂部觀察孔及蒸汽套管流入，蒸汽伴熱盤管法蘭泄漏使液硫池內(nèi)部有水存在，池內(nèi)不斷投入硫黃，伴隨著加熱進程，S8水解產(chǎn)生H2S和H2SO4，在液硫表面空氣中的O2存在的條件下，發(fā)生上述反應[3]。水及酸浮于液硫表面，對液面附近金屬設備產(chǎn)生腐蝕，從液硫泵脫氣泵夾套筒節(jié)及蒸汽伴熱盤管豎管的腐蝕形貌是以環(huán)狀腐蝕為主。隨著試車的進行，根據(jù)停留時間的不同,液硫池液面高度發(fā)生變化，導致池內(nèi)金屬設備產(chǎn)生了環(huán)狀腐蝕。

4 改進措施

液硫池設計為密封形式[4]，并在使用過程中保證其密封的可靠性。蒸汽伴熱盤管避免穿墻設計，宜采用翻墻設計。采用熱噴鋁防腐技術對液硫池蒸汽盤管、液硫泵等表面進行噴鋁防腐[5]，可以減少液硫對設備的腐蝕。

5 結 論

通過對硫黃環(huán)境下金屬腐蝕機理的研究，結合腐蝕斷口及腐蝕產(chǎn)物的能譜分析，液硫存儲過程中有水及空氣存在時，多種腐蝕協(xié)同發(fā)生，316L材質腐蝕加劇，腐蝕均發(fā)生在液面附近。