真空水环泵结垢防腐清洗工艺研究

2015-11-29晋西润薛光亭葛玉龙马方义

石油化工腐蚀与防护 2015年5期

潘岩，晋西润，薛光亭，葛玉龙，马方义

(中海油(青岛)重质油加工工程技术研究中心有限公司，山东青岛 255434)

国内外常减压蒸馏装置减压塔塔顶抽真空系统一般采用水蒸气进行抽真空。从20 世纪70 年代起，国外部分常减压装置开始尝试用水环抽真空泵替代最后一级蒸汽喷射泵，其中许多常减压蒸馏装置利用罗茨真空泵［1］或者是液环真空泵［2］替代减压蒸馏的第三级或者第二级蒸汽抽真空，目前国内已在燕山、镇海、长岭等石化公司已成功应用［3］，取得了明显的节能效益，并且由于能够减少含硫污水的产生，在环保方面具有明显的优势。

真空泵做功的特点是当叶轮按规定方向转动时，工作循环水在泵体内壁形成与叶轮一起转动的水环。叶轮转动过程中，叶片与水环形成的封闭空间容积扩大或缩小，真空泵吸排气做功。但真空泵径向及端面间隙都比较小，运行时容易被工作水混有的杂质或水垢将叶轮卡死而被迫停机。停机会威胁装置的安全生产，制约装置生产能力，增加生产运营成本。因此，分析真空泵结垢原因，找出适当的解决措施是保障设备正常运转的关键问题。

1 结垢情况

某公司作为炼油领域的科研单位，为了探索机械抽真空完全替代蒸汽抽真空的可行性，降低蒸汽消耗，采用罗茨真空泵与水环真空泵组合机械抽真空系统取代原设计的减压蒸汽抽真空系统，但在应用过程中发现水环真空泵结垢严重，泵管线内壁结垢厚度约为30 mm，泵内叶片上堆满灰色的垢物，垢物的厚度最厚处达到50 mm，垢物与管壁，以及如图1 所示的转子叶片结合致密，机械敲击很难去除，严重地影响了机泵的正常运行，增加能耗的同时也给生产带来极大的安全隐患。

图1 转子叶片结垢情况

结垢物的形成周期短，3～5 个月就必须进行一次彻底清洗，目前普遍采用的方法为采用酸或碱溶剂进行清洗处理，清洗剂在清洗过程中会对设备造成一定腐蚀以致缩短设备的使用寿命，为生产埋下安全隐患。

2 结垢原因分析

真空水环泵运行过程中与转子及泵体内表面接触的主要介质为新鲜水，新鲜水水质成分分析发现硅质量浓度为10 mg/L，硬度(CaCO3)为196.94 mg/L。新鲜水中钙和镁的碳酸盐含量较高。

结垢物如图2 所示，表面为灰白色，结构致密、坚硬，机械难以清除，纵剖面呈现层状结构，类似页岩，表明该结垢物是缓慢沉积形成的。

图2 结垢物纵剖面情况

如图3，对水环泵结垢物进行X 射线衍射光谱(XRD)分析可知，方解石(CaCO3)质量分数为96%;文石(CaCO3)质量分数为3.7%;岩盐(Na 0.5981KCl 0.4019)质量分数为0.2%。结垢物主要成分为碳酸钙。

图3 结垢物XRD 图谱

通过美国Innov 公司的XRF 矿石分析仪测得结垢物的元素组成为:钙质量分数为41.38%，硫质量分数为0.16%，硅质量分数为0.61%，氯质量分数为0.07%，其他碳、氧等元素质量分数为57.78%。元素分析表明结垢物中除含有大量钙盐化合物外，还有硫酸盐，硅酸盐等少量化合物存在。

由以上分析可知，真空泵原密封液来自于新鲜水，新鲜水中的离子都是由无机盐类溶于水后电离形成，阳离子主要有Ca2+，Mg2+，Na+和K+，阴离子主要有和Cl-等。密封液经真空泵后，出水温度在50 ℃左右，在受热条件下，溶于水的钙、镁盐类因受热分解，转变为难溶于水的物质，附着于真空泵转子的叶片上和泵体内表面，形成垢物。

3 结垢物的清洗

3.1 清洗剂的选择

使用清洗剂后结垢物质量变化情况见表1。从表1 可以看出，氢氧化钠溶液对结垢物没有明显的溶解效果。考虑到结垢物中可能存在硅酸盐，所以采用氢氟酸进行浸泡清洗，结果表明其对于结垢物的溶解性不好，其原因可能是在溶解过程中氢氟酸与碳酸钙反应生成了难溶的氟化钙。硫酸的溶解效果差主要是因为与垢物中碳酸钙反应生成微溶的硫酸钙，阻碍垢物的进一步溶解。溶解性最好的是浓盐酸，但浓盐酸的溶解现象过于剧烈，溶解的同时可能对泵设备带来腐蚀。溶解效果较好的为质量分数7%盐酸体系或混酸(盐酸与氟化氢的混合液)体系。

清洗剂需针对结垢物的组成而进行选择，结垢物主要为碳酸钙，因此选择溶解率最好的盐酸配成一定比例的溶液作为清洗剂。

表1 使用清洗剂后结垢物质量变化情况

3.2 结垢物清洗过程中腐蚀防护

酸洗剂对腐蚀挂片的腐蚀情况见表2。以往设备清洗过程中往往在酸清洗过后，设备表面会出现大面积的腐蚀斑点，导致设备使用寿命明显缩短，因此对缓蚀体系及清洗缓蚀工艺进行了考察。如表2 所示，对316L 材质的挂片进行腐蚀实验结果表明，氟化氢及盐酸均有不同程度的腐蚀。所以在清洗过程中加入一定的缓蚀剂是十分必要的。

表2 酸洗剂对腐蚀挂片的腐蚀情况

3.3 缓蚀剂的选择

根据相关工作经验选择乌洛托品、咪唑啉和三乙醇胺混合剂作为缓蚀剂，咪唑啉缓蚀剂选用泰州先进化工生产的低温缓蚀剂。参照文献［4］，缓蚀剂的质量分数［5］为1%。腐蚀实验参照石化标准Q/SH0219-2008《原油蒸馏装置中和缓蚀剂技术要求》进行，挂片选择20 号钢(20 号钢更能反映出缓蚀剂效果的好坏)。

分别配置质量分数5%盐酸、质量分数5%盐酸+质量分数1%缓蚀剂、质量分数7%盐酸、质量分数7%盐酸+质量分数1%缓蚀剂、质量分数10%盐酸、质量分数10%盐酸+质量分数1%缓蚀剂共6 种清洗剂，每种清洗剂100 ml，将处理好的挂片放入配好的溶液中。未加缓释剂的清洗剂中，挂片表面有明显的气泡产生，而加入缓蚀剂的溶液中挂片表面仅有少量气泡产生。并且半小时后，未加缓释剂的盐酸溶液中挂片表面明显变黑。挂片腐蚀实验后，未加缓蚀剂的溶液呈浅绿色或淡绿色，该颜色为氯化亚铁颜色，主要是盐酸腐蚀挂片产生了氯化亚铁导致的。随着盐酸浓度的增加溶液的颜色也加深。而当加入缓蚀剂后，质量分数5%、质量分数7%盐酸溶液仍能保持无色透明，表明缓蚀剂降低了盐酸对挂片的腐蚀，减少了氯化亚铁的生成。加入缓蚀剂的10%盐酸溶液颜色仍呈浅绿色，但比未加缓蚀剂的溶液体系颜色浅，表明当盐酸质量分数超过7%时缓蚀剂缓蚀效果下降。因此，酸清洗剂的质量分数控制在7%(详见表3)。

表3 盐酸溶液中腐蚀挂片腐蚀前后数据

挂片腐蚀实验后加入缓蚀剂的挂片表面没有明显腐蚀痕迹，挂片保持了腐蚀实验前试片的金属光泽，而未加缓蚀剂的盐酸溶液中挂片表面明显产生了一层黑色的腐蚀产物。以质量分数10%盐酸腐蚀为例(如图4 所示)，通过金相显微镜观测实验可以发现加入缓蚀剂的盐酸溶液中金属表面较好的保持了腐蚀实验前的形貌，腐蚀轻微，而盐酸中的挂片表面呈现均匀的坑蚀，实验表明本文选用的缓蚀剂效果明显。

3.4 油膜密封物理腐蚀防护工艺

由于水环真空泵叶片表面结垢物厚度不均，清洗过程中可能对水环泵裸露的内表面及转子密封面造成腐蚀，一旦密封面腐蚀会给生产带来安全隐患。为了避免转轴及转子密封面的腐蚀，本文首次通过油膜密封技术［6］及塑料薄膜进行物理包裹的缓蚀实验。在质量分数7%盐酸中的20号碳钢金属棒颜色变黑，并且溶液呈现浅绿色(为氯化亚铁颜色)，加入缓蚀剂后金属棒表面保持金属本身的光泽度;同时进行物理包裹的金属棒外层润滑脂保持较好，在酸溶液中并没有被破坏，从腐蚀数据对照表5 中可知，物理包裹的金属棒24 h 失重率明显下降，从实验数据上看润滑脂及薄膜的包裹可以减少清洗液对裸露金属的腐蚀。

图4 金相显微镜图片

表4 20 号钢物理包裹实验腐蚀数据

4 水环真空泵实际清洗过程

水环泵转子搅拌轴在采用润滑脂及薄膜包裹进行密封防护后，用质量分数7%盐酸+质量分数1%缓蚀剂进行清洗，清洗时间为16 h，清洗过程中有大量气泡产生。由于反应清洗器中未设置搅拌装置，导致泵叶片死角处仍有部分垢物未溶解，如图5(a)所示，因此，在一次清洗后裸露的钢体表面继续采用润滑脂进行隔离保护，如图5(b)所示，然后进行二次清洗，清洗时间为24 h。二次清洗后，水环泵转子叶片垢物完全溶解，最后采用大量水对泵体进行冲洗。清洗后的水环真空泵转子叶片表面金相显微镜分析无明显腐蚀。

图5 减顶抽真空水环泵转子叶片结垢物清洗情况

5 防腐清洗工艺产生的经济效益

结垢的水环真空泵转子如果要进行更换的话，316L 材质的水环真空泵转子采办周期要60 d。水环真空泵停运期间，蒸汽抽真空系统运行时间按1 440 h 计，经济效益核算情况为:1.0 MPa蒸汽的消耗为1.7 t/h，蒸汽价格按照288.7 RMB¥/t 计(按照1 m3蒸汽消耗82 m3天然气，耗水2 t，耗电5 kW，天然气3.0 RMB¥/m3，天然气输送费0.45 RMB¥/m3，循环水运行0.4 RMB¥/t，电价1.0 RMB¥/kW·h 计)，共增加蒸汽成本70.7×104RMB ¥;减少循环水量30 t/h，节约用水成本1.7 ×104RMB¥;减少减顶污水排放量1.7 t/h，污水处理费用按每吨5 RMB ¥计算，减少污水处理成本共计1.2 ×104RMB ¥;减少用电75 kW·h，共计10.8 ×104RMB ¥。综上合计，水环真空泵停运期间，间接增加能耗费用63.6 × 104RMB¥。

另外，更换水环泵叶片及管线共需10 ×104RMB¥，总计本次清洗工作直接和间接创造经济价值73.6 ×104RMB¥。