二氧化碳压缩机的腐蚀与控制

二氧化碳压缩机的腐蚀与控制

陈康毅

二氧化碳压缩机在运行过程中, 由于原料介质的冲刷与腐蚀, 其进气管道、分离设备、排油水管道与阀门出现经常性的泄漏, 活塞杆点蚀, 活塞环槽蚀断, 进气阀腐蚀严重, 气缸体出现大而深的蚀坑, 严重影响压缩机的安全稳定与长周期运行。随着企业生产潜能的不断挖掘, 节能减排的深入开展, 二氧化碳压缩机故障停车检修次数过多的矛盾突出地显现出来。研究、分析二氧化碳压缩机的腐蚀原因和机理, 寻求降低二氧化碳腐蚀的有效措施和方法显现得尤为重要。 1.腐蚀原因分析

美丰绵阳分公司一分厂二氧化碳压缩机为活塞式压缩机,为五段四列平衡型, 排气压力20.68MPa。二氧化碳压缩机运行中的腐蚀影响因素很多, 大致可分为两大类: 一类是二氧化碳介质工况的影响, 如工作温度、压力、含水量、流速、含氧量、pH 值等。另一类为材料的影响, 如材料中C、Cr 等的含量。

(1) 二氧化碳介质中含水量的影响。介质中水分含量是影响二氧化碳腐蚀的一个至关重要的因素。二氧化碳的腐蚀发生从根本上说是由于水对钢铁表面的浸湿作用。二氧化碳溶解于水中后, 在金属表面形成了电解质溶液, 即: CO2+H2O→H2CO3 从而构成了金属的电化学腐蚀的基本条件。溶液中电离出的H+ 作为Fe 腐蚀反应中的一种主要阴极去极化剂, 增加金属的腐蚀速度, 且随着压力的增大, 水分增多, 二氧化碳溶解度也大幅度增加。

(2) 温度的影响。从腐蚀部位来看, 温度<40℃的进口部位,二氧化碳的腐蚀比较严重。而>100℃出口部位, 腐蚀很少发生。温度对压缩机腐蚀的影响, 更主要的表现为在临界温度附近的影响。

( 3) 压力的影响。在压力较低的一、二段进口部位, 腐蚀很轻微, 压力较高的三四五段腐蚀较严重。随着压力的增加, 二氧化碳气体溶解于水的幅度也增加, 使阴极去极化过程加快, 从而大大增加腐蚀速率。 (4) 流速的影响。随着流速加快, H2CO3 和H+等去极化剂能更快地扩散到电极表面, 使阴极去极化增强, 腐蚀产生的Fe2+迅速离开金属表面, 阻止金属表面保护膜形成, 并且对已形成的保护膜起破坏作用, 形成活化—钝化微电池, 从而使腐蚀速率大大增加。气体挟着液体强烈地冲击钢铁表面, 产生强烈的液击, 导致严重的冲刷剥蚀。

(5) 介质中氧含量的影响。为了保护尿素合成塔等重要设备, 在二氧化碳介质中加入0.5%左右的氧, 而氧与二氧化碳共存在于水中时会引起严重的腐蚀。当金属表面有完好的保护膜存在时, 氧气存在, 增加保护膜的完整性; 而当金属表面未形成保护膜或保护膜被破坏时, 氧含量增加, 由于氧作为Fe 腐蚀反应中的主要阴极去极化剂之一, 会加速碳钢腐蚀速度。因此氧在二氧化碳腐蚀的催化机制中起重大作用。

(6) 气缸材料的影响。碳钢的基体组织为铁素体( Fe) 和渗碳体( Fe3C) , 当碳钢表面浸在碳酸溶液中, 形成微电池, 其中铁素体电极电位较低, 成为微电池阳极, 渗碳体则为阴极。阳极过程是铁素体溶解受到腐蚀,

即2Fe→2Fe+++4e。与此同时, 电子由阳极移向阴极, 阴极过程使水中的氧与电子结合生成氢氧离子, 即4e+2H2O+O2→4( OH) - , 在溶液中Fe++与( OH) - 相遇生成Fe( OH) 2, 即

2Fe+O2+2H2O → 2Fe( OH) 2 , Fe( OH) 2 与碳酸反应生成FeCO3,即Fe( OH) 2+H2CO3 →FeCO3+H2O, 由此破坏碳钢表面生成的保护膜。此外, 二氧化碳的腐蚀中还有pH 值等影响因素。二氧化碳压缩机腐蚀的发生, 应该是由二氧化碳介质的温度、压力、水分含量、冲刷等共同作用的结果, 而其中起关键作用的是介质中水分含量, 如果没有水, 也就不会有二氧化碳的腐蚀发生。 2.腐蚀控制措施

( 1) 压缩机进口温度的控制。由于二氧化碳在压力为7.382MPa 时, 其临界温度为304.2K。根据二氧化碳三相点与其临界点之间的关系, 可以计算出压缩机设计压力为8.1MPa 的第五段进口, 其临界温度为309K。当气体中含有水分时, 其临界温度有所提高, 水分含量越多, 其临界温度越高, 因此第五段进气温度一般控制在311K 以上。第四段进口压力为3.3MPa, 临界温度很低, 因此其进口温度的控制以水冷却器能力允许条件下, 应尽可能低一些, 促使二氧化碳中的水分尽可能的冷凝下来。

(2) 提高油水分离效果, 减少介质中水分含量。二氧化碳介质中的水分冷凝下来后, 如何在分离器中分离完全, 是控制二氧化碳腐蚀的关键。过去由于分离器体积较小, 分离效果较差, 通过增大第三段、第四段分离器体积, 在分离器内部增加旋流板,同时在二氧化碳进口总管增设一台分离器, 有效地提高了分离效果。同时定期排放油水, 避免油水带到下一工序。

(3) 运用耐腐蚀的材料。从二氧化碳原料气成分分析来看,二氧化碳介质中未发现有H2S、Cl- 的存在, 因此压缩机的腐蚀只__是二氧化碳弱酸介质的电化学腐蚀和冲刷腐蚀联合作用, 采用1Cr18Ni9Ti 等普通不锈钢材料, 就能满足工艺条件下的耐腐蚀要求。对于整体尺寸较大的四、五段缸体, 则采用在其腐蚀严重的进气部位堆焊不锈钢耐腐蚀层, 很好地解决了缸体的腐蚀问题。同时充分利用不锈钢良好的抗冲击韧性, 对二氧化碳介质冲刷腐蚀严重的弯头、放油水阀、进气阀等采用不锈钢材料制作,提高其抗冲刷腐蚀能力。通过对二氧化碳压缩机采取以上几种措施后, 压缩机各主要部件及附属设备、管道的的腐蚀大大降低, 原来腐蚀严重的缸体也少有腐蚀了。压缩机的故障频率也得到很大程度的降低, 从过去每台每月平均检修五六次到现在最长无故障运行三个月,而一年中的腐蚀故障已减少至两三次甚至更低, 大大提高了压缩机的运行周期, 安全生产得到了保障。现在由于夏季气温高,二氧化碳原料气温度很高, 有时高达45℃, 原料气中带水仍较严重, 如果在进口总分离器前加设一台冷却器, 效果就会更好。W08.09- 23 ———————————————

作者通联: 四川美丰绵阳分公司一分厂四川绵阳市 621000

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