詹剑良1，章伟涌1,金浩哲,章阿多

(1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江理工大学，浙江 杭州 310016)

近年来，炼油装置加工的原油品质越来越差，氮和硫等非烃类杂质含量不断升高，造成装置出现腐蚀破坏情况越来越严重，尤其换热器和空冷器一类设备时常发生腐蚀穿孔和泄漏等事故。通过现场解剖发现，多数冷却装置出现腐蚀失效是由管束的局部冲刷腐蚀穿孔造成的。停工检修期间，采用远场涡流检测技术对管子壁厚进行检测，发现换热管束存在不同程度的壁厚减薄和变形，严重影响安全生产[1-3]。为了获知不同材质在多相流环境下的抗冲蚀规律，设计搭建了旋转式冲蚀试验装置，研究炼油设备用的10号碳钢、15CrMo钢、双相钢2205、合金Incoloy825以及不锈钢316L五种材质的耐腐蚀特性，为石化企业以及相关设计单位设计选材提供理论依据，为炼油设备安全长周期运行提供指导意见。

1 试验装置

旋转式冲蚀试验装置示意图见图1。该装置包括主路旋转冲刷系统(左半部分)和旁路循环预膜系统(右半部分)。工作原理为：主路上依靠变频电机带动磁力传动系统驱使带齿槽的圆盘旋转，确保容器内部的腐蚀性溶液对放置在壁面上的电化学测试电极形成冲刷腐蚀，来实现模拟多相流对管子内壁冲刷腐蚀。旁路上设置循环自吸泵，用来向预膜室输送来自主路的腐蚀性溶液，保证安装在预膜室壁面上的试件得到腐蚀。介质温度是依靠电加热器、冷却水循环以及热电偶温度传感器组成的系统来控制。

图1 旋转式冲蚀试验装置示意

1—变频电机；2—磁力传动机构；3—旋转轴；4—压力计；5—电化学测试传感器；6—电加热器；7—温度传感器;8—进料口；9—垫液线；10—球阀；11—过滤器；12—循环自吸泵；13—预膜器

电化学测试探头(右)与预膜探头(左)实物见图2。所用零部件毛胚均由中国石化镇海炼油化工股份有限公司加工成型。图2中实物照片上的乳白色部分，即电极之间绝缘体以及壳体，均采用经过特殊处理的聚四氟乙烯材料。

图2 预膜探头与电化学测试探头实物

2 试验条件

模拟试验条件见表1。

表1 模拟试验条件

3 结果与讨论

3.1 NH4HS浓度对冲蚀特性的影响

该试验温度为20 ℃，介质中不添加NaCl。分别测试五种材质在NH4HS质量分数分别为5%，8%和10%的腐蚀产物保护膜的抗冲蚀特性，利用测试获取的开路电位图和Tafel曲线通过转化计算得到对应转速下的腐蚀速率，见图3至图5。

图3 NH4HS质量分数为5%时腐蚀速率

从图3和图4可见：随着NH4HS质量分数的增加，五种材质的腐蚀速率随转速的增大而增大。在NH4HS质量分数分别为5%和8%时，10号碳钢与15CrMo钢腐蚀速率较大，腐蚀速率与转速呈线性趋势增长，其余三种腐蚀速率随转速变动不大，体现了良好的耐腐蚀性。在NH4HS质量分数为10%时，五种材料出现明显的差别，材料的耐蚀性能在高浓度高流速状态下得到体现。与低浓度试验相比，质量分数为10%，材料腐蚀速率受转速影响最大,五种材质腐蚀速率最大值依次为：5.79，3.9，2.74，1.62和0.57 g/(m2·h)。除不锈钢316L之外，其他材料腐蚀速率较NH4HS质量分数为8%时产生极大变化。

图4 NH4HS质量分数为8%时腐蚀速率

图5 NH4HS质量分数为10%时腐蚀速率

3.2 温度对冲蚀特性的影响

该试验NH4HS质量分数采用5%，介质中不添加NaCl，分别测试五种材质在温度分别为20，40和60 ℃的腐蚀产物保护膜的抗冲蚀特性。利用测试获取的开路电位图和Tafel曲线通过转化计算得到对应转速下的腐蚀速率，见图6至图8。

图6 介质温度为20 ℃时腐蚀速率

由图6至图8可见：五种材质试件随温度升高腐蚀越来越严重。与20 ℃情况相比，60 ℃时10号碳钢和15CrMo钢的静态腐蚀速率增长达至6～7倍，抵抗腐蚀能力较弱，而双相钢2205、合金Incoloy825和不锈钢316L虽然变化强烈，腐蚀仍然比较轻微，抗腐蚀能力较强。

图7 介质温度为40 ℃时腐蚀速率

图8 介质温度为60 ℃时腐蚀速率

从图7可知：10号碳钢在转速约250 r/min前，15CrMo在180 r/min前，二者腐蚀速率主要受流体力学作用主导，随转速呈线性快速增长，之后腐蚀速率趋于平稳，增幅较小。双相钢2205和合金Incoloy825在增速过程中，材料表面性能稳定，腐蚀速率变化不明显。316L不锈钢在转速约360 r/min时，腐蚀速率明显增大，之后腐蚀速率又趋于平稳，完整的保护膜出现裂纹或脱落。360 r/min应是316L在该试验条件下的临界转速。

从图8可以看出：五种材料腐蚀速率随转速波动不大，说明高温环境使得腐蚀产物膜发生胀破的特征，表明此时的膜不再具有保护作用。在转速为420 r/min后发现Incoloy825腐蚀速率变化较大，可以判定在该种试验条件下420 r/min是其冲蚀临界点。

3.3 Cl-含量对冲蚀特性的影响

该试验温度为20 ℃，NH4HS质量分数为8%。测试五种材料在Cl-质量分数分别为0,50，100和150 μg/g的腐蚀产物保护膜的抗冲蚀特性，利用测试获取的开路电位图和Tafel曲线，通过转化计算得到对应转速下的腐蚀速率，见图9至图12。

图9 Cl-质量分数为0 μg/g时腐蚀速率

图10 Cl-质量分数为50 μg/g时腐蚀速率

图11 Cl-质量分数为100 μg/g时腐蚀速率

由图9至图12可见：Cl-含量对10号碳钢和15CrMo钢腐蚀速度影响最大，腐蚀速率随转速的变化而变化。

由图10可知：当Cl-质量分数为50 μg/g时，10号碳钢腐蚀速率在125 r/min前增加较快，在250 r/min后未出现图9中的速率平台，而是随着转速继续增长；15CrMo钢腐蚀速率随转速变化较均匀，在约300 r/min时出现明显的速率平台；双相钢2205、合金Incoloy825以及不锈钢316L腐蚀速率小且受转速影响较小。从图11可知：当Cl-质量分数为100 μg/g时，与图10对比，Cl-含量的增加使得10号碳钢与15CrMo钢腐蚀速率整体上有小幅增加，而双相钢2205、合金Incoloy825以及不锈钢316L腐蚀速率却减小。由图12可知：当Cl-质量分数为150 μg/g时，10号碳钢在约230 r/min前腐蚀速率迅速增长到3.2 g/(m2·h)，此后随着转速的增加腐蚀速率小幅减小后稳定在约2.7 g/(m2·h)。15CrMo钢在约400 r/min后，腐蚀速率基本维持在2.1 g/(m2·h)。双相钢2205、合金Incoloy825以及不锈钢316L腐蚀不明显。

图12 Cl-质量分数为150μg/g时腐蚀速率

4 结 论

(1)总体上可见：10号碳钢与15CrMo钢抗腐蚀能力较弱，双相钢2205耐蚀性一般，Incoloy825与316L不锈钢抗腐蚀能力较好。

(2)浓度的影响：NH4HS浓度的增加会加剧试件的腐蚀，质量分数从5%上升到8%时，试件在转速为0～750 r/min时平均腐蚀速率增长 0.2～1.5倍，而从8%升到10%时，平均腐蚀速率增长了2～10倍。

(3)温度的影响：温度的升高亦加剧试件的腐蚀。10号碳钢与15CrMo在温度为20 ℃升到40 ℃时与从40 ℃升到60 ℃时平均腐蚀速率均增长约1倍；双相钢2205在两次温度变化过程中平均腐蚀速率分别增长0.8倍和6.3倍；Incoloy825钢在温度为40 ℃及以下试验中，平均腐蚀速率基本没变化；但在温度为60 ℃时，高转速下腐蚀速率波动较大；316L不锈钢在两次温度变迁中平均腐蚀速率分别增长2.3倍和1.8倍。

(4)Cl-含量的影响：10号碳钢与15CrMo钢平均腐蚀速率随Cl-含量增大逐渐变大，双相钢2205的平均腐蚀速率却是变化不大，不锈钢316L基本保持不变，Incoloy825平均腐蚀速率的变化出现先变小后变大的过程，Cl-在150 μg/g以下时对Incoloy825钢腐蚀不明显。