20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为.pdf

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20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为1 20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为2 20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为3 20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为4 20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为5 20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为6
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20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀行为7920G低碳钢的吉日同皿环烷酸腐蚀行为NaphthenicAcidCorrosionBehaviorof20GSteelatHighTemperature饶思贤。,吕运容。,艾志斌,潘紫微,岑豫皖,陈学东(1安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243032;2合肥通用机械研究院,合肥230031)————RAOSixian,LYUYunrong。,AIZhibin0,PANZiwei,——CENYuwan。CHENXuedong(1Schoo1ofMechanica1Engineering。AnhuiUniversityofTechnology,Maanshan243032,Anhui,China;2HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)摘要:使用高温高流速环烷酸腐蚀模拟装置对20G低碳钢在不同温度和冲刷角下的环烷酸腐蚀行为进行了研究,结果表明:温度和冲刷角对20G低碳钢的环烷酸腐蚀行为有显著影响;冲刷角对腐蚀速率的影响与温度及流速有关,腐蚀速℃℃率在28O~320达到峰值,超过320腐蚀速率随温度升高呈下降趋势。20G钢的腐蚀形貌分析表明:在环烷酸腐蚀时20G钢中的珠光体优先发生溶解,在珠光体腐蚀后再由晶界向晶内腐蚀铁素体。关键词:2OG;环烷酸腐蚀;冲刷角—doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.O1.016中图分类号:TG172文献标识码:A———文章编号:10014381(2013)01007906Abstract:Hightemperatureandhighflowratenaphthenicacidcorrosion(NAC)simulationdevicewas—appliedtoinvestigateNACbehaviorof20Glowcarbonsteelatvarioustemperaturesandflushingangle.Theresultsshowthattemperatureandflushinganglecouldsignificantlyinfluencethecorrosion—rateof20Gsteelinnaphthenicacid.Theinfluenceofflushingangleisrelatedwithexperimenttem——peratureandflowrate,at280320 ̄Cthecorrosionratereachesthepeakvalue,thecorrosionratedecreaseswithtemperaturewhenthetemperatureexceeds320 ̄C.Thecorrosionmorphologyanalysisof20Gsteelindicatesthattheperlitesin20Gdissolutepreferentially.Theferritecorrodesfromthegrainboundarytointracrystallineonlyaftertheperlitedissolutes.Keywords:20G;naphthenicacidcorrosion;flushingangle近年来原油价格居高不下,原油成本已占炼油企业加工总成本的9O%以上。为降低原油成本,炼油厂不得不从原油市场上购买价格相对便宜的高酸原油。虽然近两年国际高酸原油加工能力大幅上升导致加工高酸原油赢利空间收窄,但相对于一般原油仍具有较好的效益预期。中石化上海高桥石化、广东茂名石化、广州石化等国内企业已对加工高酸原油进行适应性改造并在加工高酸原油中取得了较高的经济效益,但加工高酸原油时会在某些位置发生严重的环烷酸腐蚀(NaphthenicAcidCorrosion,NAC)。环烷酸腐蚀常发生在原油蒸馏装置,包括初馏塔、常压塔、减压塔、加热炉、转油线等。温度高于220oC的部位以及二次加工装置进料段,一般以减压装置高温部位表现最为严重。中石化几家大型企业虽然参照美国AP1581标准或中石化选材导则对常减压装置的部分材料进行了升级改造,但实验和现场运行经验表明,国外标准和中石化选材导则还存在着较多不合理的地方。API581规定304/321不锈钢在酸值2~4mg℃KOH/g、硫质量分数1~2、温度370以上时腐蚀速率仅0.12mm/a,但实际现场监测发现321不锈钢的腐蚀速率可达0.5mm/a;减压塔装置某些特殊部位即使采用316L、317L这些高级别材料,腐蚀问题仍然非常严重。因此高温环烷酸腐蚀机理、影响因素及其抑制方法已成为企业装置改造中非常关注的问题,对高温环烷酸腐蚀的研究可为材料合理选择、生产参数优化、在线装置的环烷酸腐蚀预测及工艺防80材料工程/2013年1期腐策略提供必要的理论和技术支持,具有重要的研究意义。已有的研究表明影响环烷酸腐蚀的主要因素有温度、酸值、环烷酸种类、硫化物种类及含量、流速及湍流状态、流体物理状态、材质l1J。℃环烷酸腐蚀的温度区间为220~400,温度低于℃200时基本不发生腐蚀,高于400oC环烷酸分解。环烷酸腐蚀为吸热过程,具有较高的活化能垒l4j。实验结果表明环烷酸腐蚀存在两个腐蚀峰温度口],分别为℃270 ̄280oC和350~400。酸值是衡量环烷酸腐蚀的重要因素,通常认为环烷酸腐蚀存在临界酸值,酸值大于0.5mgKOH/g或者馏分油酸值大于1.5mgKOH/g时即可发生明显的环烷酸腐蚀[5]。很多研究人员力图将环烷酸腐蚀速率与总酸值(TotalAcidNumber,TAN)、环烷酸含量(NaphthenicAcidTitration,NAT)建立联系,但结果表明很难在两者之间建立直接的关联。环烷酸的腐蚀性受环烷酸自身性质的影响。即使酸值相同,如果环烷酸分子的含碳数(或分子量)不同,腐蚀性也明显不同。Omar的研究发现[6羧酸的腐蚀性主要受羧酸铁在油中的溶解性控制,如果所形成的铁盐在油中的溶解性较好,则这种羧酸具有较强的腐蚀性。℃原油中含有的活性硫化物在温度高于260时会分解出HS,高温下硫化物可直接与铁结合成硫化亚铁。Craig的研究表明260oC时HS对环烷酸腐蚀存在明显的抑制作用],但这种抑制作用可能存在硫化物临界值,硫化物含量低于临界值时环烷酸可破坏硫化氢腐蚀产物,生成油溶性的环烷酸铁和Hs,使腐蚀加剧;高于临界值则硫化物可在金属表面生成稳定的硫化亚铁保护膜,减缓环烷酸的腐蚀作用。Omar的铁粉实验研究发现当H。S含量超过一定值时,才能形成FeS保护膜l8]。虽然高硫含量能够抑制环烷酸腐蚀,但是过高的活性硫含量将加剧高温硫腐蚀j。流速和湍流状态也是影响环烷酸腐蚀的因素。在高温、高流速的情况下,即使酸值低于目前认同的临界值时碳钢仍具有较高的腐蚀速率。现场经验证实凡是有阻碍流体流动从而引起流速、流态发生变化的地方环烷酸腐蚀较为严重;ZetlmeislM的研究也表明在湍流部位腐蚀最为严重,如三通、弯头和泵等口;在高流速环境冲刷腐蚀与高温环烷酸腐蚀之间会存在交互作用从而显著加剧金属的腐蚀_1。流体物理状态对环烷酸腐蚀也有显著影响。炉管和转油线由于同时受高流速和两相流的综合作用,流体物理状态对它们的环烷酸腐蚀影响非常强烈。Gutzeit的现场调查表明,蒸汽在金属表面凝结成液体的露点温度环烷酸腐蚀最为严重l1引。Scattergood等也报道在气液两相界面处,蒸汽在金属表面冷凝成液膜时观察到的腐蚀最为严重l1。从反应动力学方面来看口¨],环烷酸腐蚀的活化能在沸点以后仅为沸点前的几分之一,这可以解释为何在现场上,环烷酸腐蚀在达到沸点前并不严重,而达到沸点以后腐蚀显著加重的现象。本工作使用合肥通用机械研究院建立的高温高流速环烷酸腐蚀模拟装置对20G低碳钢的高温环烷酸腐蚀进行研究,主要考察介质温度和冲刷角度对高温环烷酸腐蚀行为的影响。1实验1.1实验方法实验材料选用20G低碳钢,材料成分见表1。试样材料取自制造实际容器的板材余料并加工成外径18ram,内径3ram圆环状(见图1),厚度3mm,试样表面经打磨至800后抛光,除油,去离子水清洗后吹干称重。实验使用介质为高温合成导热油(高纯度二苄甲基甲苯)与精致环烷酸配制而成,酸值4.62mgKOH/g。实验结束后及时测定介质酸值,试样取出后用无水乙醇清洗及丙酮除油,然后超声清洗除去试样表面腐蚀产物,再次清洗后干燥24h后称重。根据实—验前后试样质量变化来计算平均腐蚀速率,使用Hifox一7700视频显微镜和ZeissSupra扫描电镜观察试样表面形貌。表1试样的化学成分(质量分数/%)Table1Chemicalcompositionoftestspecimens(massfraction/)1.2实验设备考虑到低于220oC时环烷酸基本不腐蚀和高于℃400时环烷酸发生分解,实验中主要考察的温度区℃间为240~36O,选取的温度点为240,280,320,84材料工程/2013年1期深度较小,腐蚀并没有沿腐蚀沟槽向纵深快速扩展,而是在表层珠光体发生腐蚀后再由晶界向晶内腐蚀铁素体,在金属表层铁素体腐蚀完前下一层铁素体不会发生显著的腐蚀,从而使得环烷酸腐蚀基本呈均匀腐蚀的形貌。3结论(1)腐蚀实验数据表明冲刷角对20G低碳钢的环烷酸腐蚀行为存在一定影响,同时冲刷角对环烷酸腐蚀速率的影响与腐蚀温度及流速有关。(2)温度是环烷酸腐蚀极为重要的影响因素,20G℃低碳钢的环烷酸腐蚀在280~320温度区间存在腐℃蚀峰值,超过320腐蚀速率随温度呈下降趋势。(3)20G低碳钢发生环烷酸腐蚀时珠光体优先溶解,在金属表面形成大量腐蚀沟槽;在珠光体腐蚀完后由铁素体晶界向晶内逐渐发生溶解;在表层铁素体腐蚀结束前下一层铁素体不会发生显著溶解。参考文献[1]梁春雷,陈学东,艾志斌,等.环烷酸腐蚀机理及其影响因素研究综述EJ].压力容器,2008,25(5):3O一36.—[2]GROYMANA,BRODSKYN,PENNERJ,eta1.Studyofcorros—ivenessofacidiccrudeoi1corrosionanditsfractionsrA].Corro—sion2005[C].Houston:NACEInternational,2005.568580.—[3]GROYMANA,BRODSKYN,PENNERJ,eta1.Iowtemperaturenaphthenicacidcorrosionstudy[A].Corrosion2007[c].—Houston:NACEInternational,2007.569578.—[4]sIAVCHEVAE,SHONEB,TURBULLA.Reviewofnaphthenicacidcorrosioninoilrefining[J].BritishCorrosionJournal,—1999,34(2):125131.[5]NUGENTMJ,DOBISJD.ExperiencewithnaphthenicacidcotrosioninlowTANcrudes[A].Corrosion98[C].Houston:NACE—International,1998.577586.[6][7][8][9][1O][11][12][13][I4][15][16]0MARYEPEZ.Onthechemicalreactionbetweencarboxylicacidsandiron,includingspecialcaseofnaphthenicacid[J].Fuel,—2007,86:11621168.CAIGHL.Temperatureandvelocityeffectsinnaphthenicacidcorrosion[A].Corrosion96[c].Houston:NACEInternational,1996.603613.—OMARYEPEZ.Influenceofdifferentsulfurcompoundsoncorro—sionduetonaphthenicacid[J].Fuel,2005,84:97104.———WUXinqiang,JINGHeming,ZHENGYugui,eta1.Erosioncorrosionofvariousoilrefiningmaterialsinnaphthenicacid[J].—Wear,2004,256:133144.高延敏,陈家坚,雷良才,等.环烷酸腐蚀研究现状和防护对策—[J].石油化工腐蚀预防护,2000,17(2):612.—ZETIMEISLM.Alaboratoryandfieldinvestigationofnaphthenicacidcorrosioninhibition[A].Corrosion95[c].Houston:—NACEInternati0na1.1995.33435O.——CHENXuedong,AIZhibin,YANGTiecheng,eta1.Analysismethodoffailurelikelihoodonpressureequipmentwithcorn~—binedactionofmultifailuremechanism[A].PVP2010[C].—Washington:ASME,2010.2566525669.GUTZEITJ.Naphthenicacidcorrosioninoilrefineries[J].Ma~—terialsPerformance,1997,16(10):2435.SCATTERGOODGL,STRoNGRC,LINDIEYWA.Naph~thenicacidcorrosion,anupdateofcontrolmethods[A].Corro~—sion87[c].Houston:NACEInternational,1987.197209.BLANCOE,HOPKINS0NB.Experiencewithnaphthenicacidcorrosioninrefinerydistillationprogressunits[A].Corrosion83—[c].Houston:NACEInternational,1983.99109.陈碧凤,杨启明.常减压设备环烷酸腐蚀分析[J].腐蚀科学与防护技术,2007,19(1):74~76.基金项目:国家863重点资助项目(2009AA04480204)—收稿日期:2011-0824;修订日期:2011-12-28作者简介:饶思贤(1978一),男,博士,副教授,主要研究方向为金属的腐蚀与失效,联系地址:安徽省马鞍山市安徽工业大学机械工程学院—(243032),Email:raosixian@ahut.edu.cn米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第67页)[9]刘振海.热分析导论[M].北京:化学工业出版社,1991.[1o]BEECHERN,ROSENSWEIGRE.Ablationmechanismsinplasticswithinorganicreinforcements[J].InternationalJournal—ofAdvancedRoboticSystems,1961,31(4):532539.[11]曹海琳,郎海军,盂松鹤.连续玄武岩纤维结构与性能试验研究—[J].高科技纤维与应用,2007,32(5):813.————CAOHallin,LANGHaljun,MENGSonghe.Experimentalre—searchonthebasicstructureandpropertiesofthecontinuousba—saltfiber[J].HiTechFiberandApplication,2007,32(5):813.[12]闫全英.玄武岩纤维制备的热工机理和材料研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000.[13][14]CHENYSANTH0UA,GRIVES0NP,JHAA.Formationofsiliconcarbidewhiskersandtheirmicrostructure[J].Journalof—MaterialsScience,l991,26(10):34633476.CHASEJrMW,NIST~JANAF.ThemochemicalTables[M].4thed.NewYork:theAmericanChemicalSocietyandtheAmericanInstituteofPhysicsfortheNationa1BureauofStandards,1998.———收稿日期:20120907;修订日期:20121115作者简介:魏化震(1964一),男,研究员,从事复合材料、防热材料、烧蚀涂料等方面研究工作,联系地址:山东济南市108信箱中国兵器工业集—团第五三研究所(250031),Email:weihz53@sina.com
一夕落阳
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