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钛纳米聚合物涂层技术在炼油厂换热设备中的应用点击：2077 日期：[ 2014-04-26 21:58:05 ] |
| 钛纳米聚合物涂层技术在炼油厂换热设备中的应用 王金娥 (大庆石化公司,大庆163714) 摘要：应用钛纳米聚合物涂层技术对某炼油厂换热器管束进行了腐蚀防护,并对涂层进行了耐油气腐蚀试验。先 后在常减压、重油催化等装置的塔顶油气冷却器上进行了3年多的试验,收到了很好的效果。钛钠米聚合物涂层管 束采用 常温固化,抗锈、抗垢性能好,传热效果好,是一种节能的换热管束,该方法的使用可以获得较大的经济效益。 关键词：冷却器管束;腐蚀;钛纳米涂层;防腐蚀;节能 中图分类号：TG174.4 文献标识码：B 文章编号：1005-748X(2009)12-0933-03 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。 3.2 实验室试验 试验设备为大连自控设备厂反应釜,反应釜材 质为钛合金,型号为GCF。采用常减压初顶汽油 (含有HCl、H2S、HCN、HN3和H2O)作腐蚀介质, 采用纳米聚合物涂料挂片,试验时间144 h。挂片 为50 mm×100 mm的碳钢片,挂片涂层厚度为200 μm。具体情况见表2。 从现场与实验室试验可以看出钛钠米聚合物涂 层抗腐蚀、抗垢性能好,适合在常减压初顶汽油冷却 器上使用。 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。结果见表3。 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%。 5.3 节能计算 钛纳米涂层管束比碳钢管束传热系数提高ΔK =183.962 W/(m2·k),比7910涂层管束传热系数 提高ΔK=138.132 W/(m2·k)。 按换热面积350 m2,根据: Q =ΔK×A×ΔT×t (2) 计算: Q1=183.962×350×10×365×24 =5 640.27 MW/a Q2=138.132×350×10×365×24 =4 235.13 MW/a 式中:Q为设备运行1年多收热量,W/a;ΔK为传 热系数差,W/(m2·K);A为管束传热面积,m2;ΔT 为油相钛纳米管束与7910防腐管束出口温度差(碳 钢管束也取该值),℃;t为运行周期,按365天计。 钛钠米聚合物涂层管束与碳钢管束相比节约能 量5 640.27 MW/a,每年可以节约(热价按20元/ MW)11.3万元。与7910管束相比可节约能量 4235.13 MW/a,每年约合8.5万元。 5.4 使用寿命及造价 (1)钛纳米涂层管束与碳钢管束比 采用钛纳 米管束按每台提高使用寿命2倍计,每台管束按使 用寿命3年计,如一台1 100 mm(换热面积350 m2)的碳钢冷却器管束造价30万元,按提高使用2 倍计。钛纳米涂层管束防腐造价为12.6万元,可以 节约47.4万元,每年可以节约5万元(钛纳米管束 按使用9年计)。另外加上每年节约的能量11.3万 元,每年可以节约16.3万元。 (2)钛纳米涂层管束与7910涂层管束比 采 用钛纳米管束按每台可以提高使用寿命0.5倍计, 每台7910涂层管束按使用寿命6年计,如一台 φ1100 mm(换热面积350 m2)的碳钢冷却器管束造 价30万元,7910涂层管束防腐造价为19.6万元, 该管束总造价为49.6万元。7910涂层管束9年使 用费用为74.4万元(49.6万元×1.5台),而钛纳米 管束使用9年造价为42.6万元,可以节约31.8万 元,每年可以节约3.5万元(钛纳米管束按使用9年 计)。加上每年节能8.5万元,每年节约12万元。 试验采用的9台(防腐蚀面积5 386 m2,管束单 面积为2 693 m2)钛纳米涂层管束,按2 693 m2×12 万元/(350 m2·a)=92万元/a。每年可以获得直 接与间接经济效益92万元以上。 6 小结 (1)钛纳米涂层管束耐蚀性好,管内外表面光 洁度高,相对提高了近管壁流层速度,从而减少了管 内外垢层的沉积,抗锈垢性能好。使用3年多管内 外无腐蚀,目前仍在继续使用。 (2)钛纳米聚合物涂层管束导热性好,具有吸 热和导热双重功能,其导热系数位于金属范围。传 热效果好,热效率高,是一种节能的换热管束。 (3)解决了7910(环氧胺基涂料)防腐管束外壁 不耐油气腐蚀的问题。 (4)钛纳米管束的施工为常温固化,解决了国 内管束防腐蚀涂层需高温固化的施工工艺。 参考文献: [1] 王巍.炼油厂冷却器的腐蚀与对策[J].石油化工设 备技术,2000(6):25-27. [2] 王巍,张喜华,肖力学. 5454铝镁合金管束在冷换设 备中的应用[J].石油化工设备,1990(6):44-48. [3] 王巍.硝酸酸洗在我厂冷却器上的应用[J].全面腐 蚀控制,1991(1):34-37. [4] 王巍. Ni-P化学镀层在糠醛换热器上的应用[J].石 油化工腐蚀与防护,1997(1):35-37. [5] 谷其发,李戈文.炼油厂设备腐蚀与防护图解[M].北 京:中国石化出版社,2000. [6] 中国腐蚀与防护学会主编·缓蚀剂[M].北京:化学 工业出版社,1987(2):63-64. [7] 周本省.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护[M]. 北京:化学工业出版社,1993. [8] 王巍.浅谈炼油厂硫磺回收装置酸性水罐的腐蚀与防 护[J].石油化工设备技术,2005(1):35-38. [9] 薛俊峰.材料耐蚀性和适用性手册钛纳米聚合物制备 和应用[M].北京:知识产权出版社,2001. [10] 富嘉文.换热器[M].北京:石油工业出版社,1979. [11] 王巍.盐酸酸洗在冷却器上的应用[J].化学清洗, 1999(6):25-27. |
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