钛纳米聚合物涂层技术在炼油厂换热设备中的应用

1　炼油厂冷换设备的腐蚀问题
炼油厂针对冷换设备的腐蚀,在不同的环境中 曾采用不同的防护方法,经过多年的努力,取得了一些效果[1-4],但是,冷却器与冷凝器管束外壁的腐蚀问题到目前没有得到根治。
例如,有的管束内外壁曾采用了7910(环氧胺基涂料)涂料防腐蚀,管内没有腐蚀,但是管外壁仍然腐蚀严重。一套初顶冷凝器,管束材质为10#碳钢。使用3年多有相当一部分腐蚀穿孔,未穿孔处 年平均减薄为1.2 mm,内外壁防腐蚀层破损,有锈垢层与不均匀腐蚀坑。
由于腐蚀与结垢,多数冷却器管束提前报废更 新(一般使用寿命3年左右)。平均每年更新约2 ~30台,造成经济损失近200多万元。
2　冷却器管束腐蚀原因
2.1　油相侧腐蚀
因冷却器壳程介质是油、油气(操作温度在8 ~150℃左右),与循环水(操作温度在28~40℃左 右)进行热交换。一般气相部位腐蚀轻微,液相部位 腐蚀较重,尤其以气液两相相变部位最为严重。腐 蚀形态为全面腐蚀加局部腐蚀,部分位置坑蚀较为 突出,最大局部腐蚀速度高达6 mm/a以上,平均 1.2~5 mm/a。
油相系统中的HCl、H2S、HCN、HN3和H2O, 随同轻组份一起挥发,在冷凝换热后温度下降到 100℃以下,冷凝区域出现液体(水)以后,在冷却器 壳程便形成HCl-H2S-H2O与H2S-HCN-HN3- H2O腐蚀[5]。
2.2　循环水侧腐蚀
因循环水中含有微量碳酸氢盐、碳酸盐、氯化 物、磷酸盐等,其中以溶解的碳酸氢盐如 Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2最不稳定,当循环水流经 管束时发生CaCO3、MgCO3的碳酸盐沉淀[6,7]。由 于水垢的存在,易造成管内壁的垢下腐蚀。
3　钛纳米聚合物涂层管束的试验
换热器需要耐热、导热效率高的防腐蚀涂层,并 要求涂料可常温固化且施工方便。目前使用的环氧 氨基涂料(7910涂料)等须在120℃固化,并需多道 涂装。技术的关键在涂料防腐蚀性能、传热性能和 可施工性三者间的平衡。钛纳米聚合物涂料可以同 时满足这些性能。笔者在炼油厂进行了硫磺装置酸 性水罐现场挂片试验[8],并采用一套常减压初顶汽 油进行了实验室试验。
3.1　酸性水罐现场挂片试验
2003年2月在炼油厂硫磺装置酸性水罐内进 行了挂片试验。酸性水主要成分为:H2S 1.0~2.8 g/L、NH35 mg/L,还含有CO2、CN-、酚和油等多 种介质,pH值在0.5,原料水的温度为65~70℃。 采用5种涂料挂片进行试验。挂片为50 mm ×100 mm的碳钢片,挂片的涂层厚度为200μm。 采用悬挂的方法使挂片一半浸在水中,时间为127 天。从表1中可以看出钛纳米聚合物涂料挂片效果 较好,呋喃改性涂料挂片整体可以,但存在一定问题。其它的问题比较大,不适合用在该环境中。
4　钛钠米聚合物涂层管束的试用情况
2004年7月,在对钛纳米聚合物涂料充分考察 与试验的基础上,对9台油气冷却器、冷凝器进行了 试验应用,管束内外表面防腐涂层厚度在200~220 μm。总涂装面积5 386 m2。
2007年7月装置检修,先后对安装在一套常减 压、重油一催化的三台冷凝器钛纳米管束进行抽管 检查。
5　经济效益分析
5.1　冷却效果
9台钛纳米聚合物涂料管束的使用,收到了满 意的效果。如一套E155/AB初顶冷凝器,原先 7910涂料与现钛纳米聚合物涂料管束的使用对比 情况见表4。可见油相、水相钛涂层纳米管束冷却 的效果是好的。
5.2　传热系数K值对比[10,11]
通常碳钢水冷却器在使用过程中管内壁易形成 锈垢层。对管内采用7910涂料防腐措施的,涂层初 期相对导热率大,但后期因水垢和锈蚀物依附在管 壁上,使传热效果大为下降。
根据传热系数公式:
K =1/(1/h1+b/λ+1/h2+b1/λ1+b2/λ2)(1)
计算结果见表5。由计算结果看出,采用钛纳 米管束比碳钢管束综合传热系数提高66.54 %,比 7910管束传热系数提高49.97%。