天然气加热炉的腐蚀研究_毕业论文(编辑修改稿)

天然气加热炉的腐蚀研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

力。 如果 六 根烟道均被铁锈渣堵塞 , 当阻力作用大到使烟气不能正常流过水平烟道时 , 烟气只能改变流动方向从风门处向外回火 , 使水套加热炉里烟气的热交换面积由正常的( Φ 273 7 1500, 6 根Φ 76 6 2500) 减少为 ( Φ 273 7 1000) , 导致排出的烟气温度高达 80～ 90℃ ( 位置 : 风门处 ) , 带走的热量多 , 热效率低 , 保温效果差。 以下 烟气的组分分析燃料是卧 89 井自产的天然气 ( 气质参数 : 比重 , 体积含量 CH4 占 %, H2S 占 %, CO2 占 %) , 助燃剂 空 气 是通过对流自然抽入 , 燃烧后的烟气从火筒 ( Φ 273 7 1500) 流 进 6 根水平烟道 ( Φ 76 6 2500) , 充分进行热交换后 , 再从垂直的烟囱以对流方式排出去 , 烟气的压力是 1atm。 在 1atm 下 , 甲烷燃烧的浓度范围 5～ 15%( 体积比 ) , 现在分析 1m3 甲烷的燃烧情况 ( 气体的分析条件为理想状态 )。 甲烷占 5%, 完全燃烧 , 燃烧前后气 体总体积不变 ： CH4 + 2O2 → 2H2O↑ + CO2↑ + 热量 Q 燃烧前总体积 20m3: 1m3CH4,19m3 空气 ， 燃烧后总体积 20m3: 2m3 H2O( 气态 )( 在烟气中的含量 g/nm3, 体积含量 10%) , 1m3 CO2( 体积含量 5%) , 17m3 空气剩余量 ( 含剩余的氧气 )。 甲烷占 15%, 燃烧不完全 , 燃烧后气体总体积有增加 : 天然气加热炉的腐蚀研究 5 CH4 + → 2H2O↑ + CO↑ + 热量 Q 燃烧前总体积 : 1m3 CH4, 空 气 ( 含氧气 : 20%=)。 燃烧后总体积 : ( 气态 )( 在烟气中的含量 g/nm3, 体积含量 %) , ( 体积含量 %) ,剩余 CH4, 空气剩余量 ( 氧气已用完 )。 烟气中产生冷凝水 1999 年 2 月 11 日 17: 00, 阴天 , 大气温度 11℃。 卧 89 井 生产参数 : 井口油压, 套压 , 井口温度 28℃ ,瞬产 万 m3/d, 使用水套 加热炉保温 , 一级节流后压力 , 进水套加热炉前气流温度 24℃ , 加热后 , 出水套加热炉后气流温度 ℃。 二级节流后压力 , 气流温度 31℃。 三级节流后压力 ( 输压 ) , 气流温度 14℃ ( 即计量温度、输温 , 计量温度要求为 12～ 18℃ )。 水套里的水温 33℃ ,烟箱里的烟气温度 22℃。 烟囱、烟箱滴水严重。 水套加热炉耗气 m3/h( 计算出烟气的排量 ～ 50 m3/h) 表 21 参考天然气的饱和含水量表 (1atm,0℃， 比重 ) 温度℃ 15 22 26 33 37 45 50 55 60 65 饱和含水汽量g/nm3 由表 21得出 : ① 完全燃烧后 : 烟气中的含水量 , 烟气露点 ℃。 ② 不完全燃烧后 : 烟气中的含水量 g/nm3,烟气露点 65℃。 所以 , 天然气燃烧后烟气的露点范围为 ～ 65℃。 只要烟气温度低于其露点 ,烟气系统 就和 水套加热炉的腐蚀分析和防腐措施 一致。 总结 加热炉通过一定时间运行后检查发现 :(1)加 热炉水侧炉壁上部 腐 蚀严重。 (2)加热盘管内部 (天然气侧 )只有轻微的腐蚀，而加热炉 管外壁则锈蚀严重，管壁上附有一层很厚呈红褐色和黑色的 坚 硬锈层。 (3)整个炉壳的炉壁、盘管壁上的附着物有的呈黑色毛刺状、有的呈黑色锈瘤状，烟气管水侧还附有鳞片层状锈蚀物，另有一些颗粒状黑色粘性附着物。 (4)清洗后发现附着物下金属表面呈现出程度不同的麻点、凹坑、沟槽及蚀坑等。 对加热炉的腐蚀形态观测后发现 :加热炉的腐蚀主要表现为全面腐蚀 (均匀腐蚀 )、溃疡状腐蚀、斑点状腐蚀等，其中 溃疡状腐蚀及斑点腐蚀是产生毛刺状锈物的主要原因。 榆林学院毕业论文 6 3 加热炉腐蚀及结垢原因分析 水质分析 新疆某油田采油厂使用的加热炉均采用当地地下水为水源，在使用过程中，未进行任何水处理，加热炉水套内存在严重的腐蚀现象，其中炉内盘管腐蚀较严重，据外观观察约有 1～ 2mm 的腐蚀。 对加热炉水套解剖（图 3 32）检察发现：盘管烟管及炉套炉壁水下部位腐蚀严重，其中烟管腐蚀最为严重 ， 金属表面覆盖厚厚一层锈垢和大小不一 、 密密麻麻的锈瘤，锈瘤下呈很深的蚀坑 ［ 2］。 为此，我们对加热炉腐蚀和结垢原因做了以下分析。 对新疆某油田采油厂两个作业区加热炉原水（当地地下水）和在用加热炉炉水进行了分析，分析结果见表 31。 由表 31 中的水质分析数据可以看出：（ 1）原水进入加热炉后，在受热条件下发生沉积而结垢；（ 2）加热炉中有大量的钙垢产生；（ 3）两种水源中，作业区 2 原水和炉水是典型的负硬度水质，在溶解氧存在的情况下，具有极强的腐蚀倾向。 图 31 加热炉盘管腐蚀情况 图 32 加热炉炉 壳腐蚀情况 结果表明：（ 1）两地原水及炉水均具有较强的腐蚀倾向；（ 2）随着温度的 升高，无论是原水还是炉水，其结垢倾向逐渐增大腐蚀倾向减小。 垢样分析 对加热炉盘管烟管等处所取垢样进行了分 析，炉水侧存在着严重 腐蚀现象。 分析结果见表 32 由表 32 中的垢样分析结果可以看出：（ 1）加热炉内主要存在着腐蚀现象；（ 2）附着物中含有一定比例的硬垢成分（结晶型析出物）， 其中 CaCO3 中 所占比例较大。 天然气加热炉的腐蚀研究 7 表 31 水质分析结果 取样点 作业区 1 作业区 2 原水 炉水 原水 炉水 Ca2+/mg L1 Mg2+/mg L1 总铁 / mg L1 0 0 Cl/ mg L1 SO42/ mg L1 „ SiO2/ mg L1 总碱 /mmol L1 总溶固 / mg L1 „ 203 PH 值 电导率 /μ s cm1 1070 898 853 667 加热炉产生硬垢的原因 炉水中重碳酸盐（碳酸氢盐）在加热炉中受热后，分解成为碳酸盐，并释放出 CO2，使炉水碱度和 pH 值升高。 产生的碳酸盐容易与水中的钙等硬度成分结晶析出，形成碳酸盐硬垢。 33()Ca HCO → CaCO3↓ +CO2↑ +H2O 33()Ca HCO +2OH=CaCO3↓ +2H2O+CO32 Ca2++CO32=CaCO3↓ 由水质分析表看出，两个作业区 Ca2+含量都较高， 且由垢样分析表也可以看出， CaO 也占了相当的比例，这都是长生硬垢的原因。 结垢原因 （ 1）通过对水样的分析，作业区（尤其作业区 2）水套加热炉所用原水具有较强的腐蚀倾向。 （ 2）通过对加热炉炉套内附着物的分析，新疆油田某采油厂加热炉炉套（水侧）存在严重的腐蚀现象，并伴有结垢现象存在。 （ 3）通过理论分析及实验室验证，造成加热炉炉套（水侧）腐蚀的主要原因为：氧腐蚀、促进腐蚀性离子对氧腐蚀的促进作用、局部腐蚀、铁垢腐蚀、干湿线腐蚀以及碱腐蚀。 （ 4）炉水中重碳酸盐受热分解后，与硬度成分 结晶析出，与加热炉金 属腐蚀产物粘合在一起，是 加热炉炉套内结垢的主要原因。 榆林学院毕业论文 8 由以上结论得出，天然气加热炉严重的腐蚀和结垢现象成为影响加热炉安全的两种主要故障，为了保证加热炉安全生产，建议采取相应的措施阻止其腐蚀和结垢的形 成。 表 32 垢样分析结果 取样点 盘管 严管 外观 红褐色固体 红褐色固体 55℃灼烧减量 /℅ 550～ 950℃ 灼烧 减量 /℅ Fe2O3/℅ CaO/℅ MgO/℅ 0 ZnO/℅ P2O5 /℅ 酸不溶物 /℅ 天然气加热炉的腐蚀研究 9 4 加热炉腐蚀机理及影 响因素 加热炉水侧不同部位的腐蚀 加热炉水侧不同部位的腐蚀及形态各不相同，产生这些现象的主要原因与不同部位的热工状态和不同的腐蚀原因等诸多因素有关。 第一采气厂加热炉用水为靖边基地的生活用水 (地下水 )，该水属低碱、低硬度水质，水中存在着腐蚀性离子和溶解的 CO2及 O2，它 们的存在会在受热条件下对金属产生严重腐蚀 ［ 3］。 氧腐蚀 这是加热炉存在的主要也是最严重 的 腐蚀因素，氧在腐蚀过程中起去极化剂作用，属吸氧腐蚀。 氧腐蚀与温度、流速、 pH 值、盐含量等诸多因素有关 ［ 4］。 对于水源确定的 密闭系统而 言，氧腐蚀的腐蚀速率随温度升高一直呈直线上升趋势。 对开路系统而言，氧腐蚀速率随温度升高是先增加后降低。 温度、流速、盐含量等对氧腐蚀的影响主要是通过对氧在水中的溶解度的影响而实现的。 加热炉源水在采取及输送过程中，一直暴露于空气中，使水中溶解氧基本达到饱和状态。 而加热炉在运行过程中只有很小的一根管 (补水口 )与大气接通，因此可以基本认为加热炉属密闭系统。 另外炉水处于停滞状态，这使水中的溶解氧很难释放出来，随着炉水温度的升高，氧腐蚀速率呈正比例增加。 炉水温度对氧腐蚀的影响见图 41 0 40 20 60 80 100 120 敞开系统密闭系统 温度/℃ 腐蚀速率mm/a 图 41 炉水温度对氧腐蚀的影响 氧腐蚀在加热炉中的任何部位均有发生，尤其是在加热盘管上部和烟气管最为严重，这是因为氧在水中的溶解度因水受热而变小，溶解氧逐渐释放出来而向上涌动，但不能流向炉外，使炉水上部溶解氧达到饱和，氧还以气泡的形态吸附于盘管上。 另一方 0 40 20 60 80 100 120 敞 开系统密闭系统 腐蚀速率mm/a榆林学院毕业论文 10 面，在整个炉水的微循环体系中，上部及烟气管周围的水温要明显高于其他部位，所以在加热盘管上部和烟气管上氧腐蚀最为严重。 氧腐蚀的形态主要为溃疡型和斑点状的局部腐蚀及均匀腐蚀。 随着炉水温度升 高，水中的离子发生变化而使 pH 值逐渐升高，使腐蚀产物极易发生二次沉积，再加上未对炉水进行阻垢处理而结垢，锈和垢的附着使碳钢产生氧浓差电池而产生垢下腐蚀。 在微碱性条件下，其腐蚀产物愈积愈多呈现出毛刺状及锈瘤，这也加剧了氧浓差腐蚀。 腐蚀性离子的腐蚀 由于炉水中的 Cl及 SO24等能穿透保护膜对金属产生腐蚀，同时还能妨碍钝化膜的生成，使炉水在不流动的情况下极易产生点蚀。 这种腐蚀在炉壳水侧任何部位均有发生，特别是热负荷较高的烟气管及炉膛水侧外壁等处，在壁温较高时，极易使 Cl及 SO24发生局部浓缩而增大发生点 蚀 的可能 性。 酸腐蚀 酸腐蚀主要为析氢腐蚀。 在加热炉中主要发生在烟气管水侧外壁及炉壳上部，这是因为 : （ 1） 用的水为地下水，而地下水中一般都含有一定 的溶解性 CO2,在炉水受热 后 会很快 释放出来而吸 附于金属表面产生 CO2腐蚀。 CO2的腐蚀过程如下： 阳极： Fe → Fe3++2e 阴极： 2CO2 +2H2O→ 2H2CO3 2H2CO3→ 2H++2HCO3 2H++2e→ H2 2CO2+2H2O+2e→ 2HCO3+H2 总反应： Fe+2CO2+2H2O→ Fe(HCO3)2+H2 Fe(HCO3)2→ FeCO3+H20+CO2 CO2在水中的溶解度与系统的压力、温度、水的组成有关 ［ 5］。 CO2溶解度随压力增大而。