如何防止高爐煤氣管道腐蝕

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．引言
傳統的高爐煤氣凈化系統由重力除塵器和二級文氏洗滌塔組成，其凈化工藝俗稱“濕法除塵”。與之相比，近年來推廣使用的高爐煤氣全干法除塵技術具有水耗低、污染少、發電多、除塵效果好等節能環保方面的諸多優點。然而，隨著高爐煤氣干法除塵工藝在多個鋼鐵廠的推廣使用，關于高爐煤氣管道及其附件發生快速腐蝕的報道開始出現。寶鋼某高爐采用干法除塵工藝后，一方面取得了較好的節能環保效果，另一方面也出現了局部煤氣管道快速腐蝕的問題。本文將以寶鋼該高爐的煤氣管道及與之相連的高爐煤氣主管道為研究對象，探討管道腐蝕的發生原因和防治措施。
1．研究對象簡述
圖1簡單示意了研究對象所處流程和范圍：高爐煤氣從爐頂排出后，通過并聯的干法或濕法系統進行除塵；然后通過并聯的TRT或減壓閥組調壓；過消音器后分兩路，一路供熱風爐使用，另一路經過噴淋塔降溫洗滌后送高爐煤氣主管網；在主管網中，幾座高爐送出的煤氣混合在一起，再供給多個用戶使用。為方便描述，使用干法除塵工藝的高爐稱為G爐，其它僅使用濕法除塵工藝的高爐稱為S爐。此系統有兩個特點：干濕除塵系統并存；系統中設置有一個噴淋塔，向流通煤氣噴射含堿水，起到降低煤氣溫度，中和煤氣內酸性物質，以及去除煤氣內部分含氯物質的作用，以期消除或減少其后管道出現文獻所述的腐蝕損傷。
干法除塵工藝投用兩月余后，噴淋塔前煤氣管道發生了與文獻記載類似的腐蝕泄漏，具體故障位置如圖1標識所示，包括布袋除塵器后均壓管上的兩個部位、進噴淋塔前總管上的一個部位、以及TRT出口管道上的兩個波紋管和消音器后管道上的一個波紋管。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。

    2．分析用數據收集及準備
2.1 泄漏故障點狀況觀察
經觀察，均壓管和噴淋塔前總管上的腐蝕泄漏點均位于管道焊縫附近，且均位于管道下半圈接近底部的位置，比如圖2所示均壓管泄漏點。而發生泄漏的波紋管特點為：波紋本體完好，沒有氯離子-不銹鋼應力腐蝕開裂現象；泄漏源于部分部件接縫的失效，包括碳鋼內襯板焊縫的腐蝕穿孔、開裂，或者波紋管與碳鋼接管間焊縫的脫焊，參見圖3。

    2.2 現場冷凝水數據
煤氣冷凝水成份和pH值可以簡單有效地反映煤氣腐蝕性，故對圖1所示若干位置的煤氣冷凝水進行多時段取樣分析。其中部分較有代表性的冷凝水氯離子含量、硫酸根離子含量和pH值數據列于表1“冷凝水指標”中。
2.3 現場掛片數據
由于無法打開管道觀察其內壁腐蝕的具體情況，故通過在多個冷凝水取樣點實地掛片并測取其腐蝕速率來間接了解干法及濕法除塵情況下高爐煤氣管道可能的腐蝕損傷。
    表1中腐蝕速率單位“mdd”的含義為：每平方分米面積上每天損失金屬毫克數。需要說明的是，盡管表中同時列出的“冷凝水數據”和“掛片數據”并非同一時段測出數據，但仍具有較強對應關系。多時段內高爐煤氣管網特定位置的煤氣冷凝水取樣分析結果和掛片試驗數據

    2.4 氯離子等因素對碳鋼腐蝕速率影響的實驗室分析

    由表1數據可知，煤氣冷凝水成分及pH值等與煤氣管道腐蝕速率之間存在一定關系。為進一步明確對應關系，參閱文獻和標準JB/T7901-1999設計如下實驗：浸泡周期168小時，試樣材料Q235，尺寸50×25×2mm（長寬厚），溶液基準參數pH=6，溫度50℃，氯離子濃度1000ppm，硫酸根離子濃度100ppm；以溶液的一個參數為變量，獲得多種條件下碳鋼掛片的腐蝕速率趨勢。實驗結果見圖4-7。

    3．綜合分析與討論
3.1 冷凝水參數對管道腐蝕的影響分析
表1數據顯示：冷凝水pH值越低、硫氯離子含量越高，則對應掛片腐蝕速率越高。圖4和圖7所示實驗室腐蝕數據進一步表明：溶液pH值越低，或者硫酸根離子濃度越高，則碳鋼越容易被腐蝕或者被腐蝕得越快。氯離子濃度與腐蝕速率的關系則較復雜，表現為隨氯離子濃度逐漸增大，腐蝕速率呈現先增大后減小的變化趨勢，見圖6。另外，圖5顯示溶液溫度越高則碳鋼腐蝕速率越高，說明冷凝水溫度也是影響管道腐蝕速率的重要因素之一。
進一步，由實驗室數據還可判斷出各種因素對于管道腐蝕的影響程度。冷凝水pH值和溫度對管道腐蝕速率的影響大，而且腐蝕速率在圖示范圍內與pH值、腐蝕速率與溫度間的比例關系較好。相比較而言，冷凝水氯離子濃度變化對碳鋼掛片腐蝕速率變化的影響稍小些。但需要注意的是，氯離子對金屬的腐蝕作用很復雜，它既對降低pH值有貢獻，即間接地加強冷凝水的腐蝕性，同時又會直接對金屬材料起腐蝕作用，因此是需要盡力消除的有害物質。至于硫酸根離子濃度，圖7顯示它對于碳鋼腐蝕速率的影響較小，同時表1數據顯示冷凝水中其值和變化幅度均較小，因此其影響甚至可以忽略不計。
3.2 干、濕法除塵工藝情況下高爐煤氣冷凝水腐蝕性對比及噴淋塔功效分析
表1數據顯示，干法除塵工況下噴淋塔前A#位煤氣冷凝水pH值很低，酸性很強，氯離子濃度高至近104ppm數量級，硫酸根離子濃度也較高；但當高爐使用濕法除塵工藝時情況將發生很大的變化：管道冷凝水pH值上升至6左右，氯離子濃度下降至10ppm數量級，硫酸根離子濃度則下降約一個數量級。這一變化表明干法或濕法除塵方式對于噴淋塔前煤氣冷凝水成份及酸性的影響很大。與此對應，干法除塵時噴淋塔前管道冷凝水掛片的腐蝕速率比濕法除塵時的腐蝕速率高兩個數量級，前者大約是后者的50倍。由此可得出如下推論：與濕法除塵情況相比，干法除塵后煤氣冷凝水的腐蝕性會大為增加。
噴淋塔后管道的情況則有所不同。表1中B#位-D#位數據顯示：盡管可能有一至兩個數量級的波動，但無論干法還是濕法除塵工藝，對應噴淋塔后管道冷凝水的pH值、氯離子濃度、硫酸根離子濃度以及掛片腐蝕速率均無顯著區別，而且這些值均優于噴淋塔前A#位在干法除塵情況下的對應值。這一方面解釋了為何圖1所示的腐蝕泄漏點尚未出現在噴淋塔后，同時也說明：通過在噴淋塔中向流經煤氣噴射堿性水，確實可以起到降低煤氣腐蝕性的作用，噴淋塔的設置和設計基本上可以彌補干法除塵工藝缺陷所帶來的管道快速腐蝕問題。
3.3 噴淋前煤氣管道及波紋管附件腐蝕泄漏的原因分析和改進對策
從高爐出口的荒煤氣中攜帶著大量灰塵和有害物質。在傳統的濕法除塵工藝中，雙文裝置中的大量循環洗滌水在除去灰塵的同時也稀釋帶走了煤氣中的大部分酸性物質和硫氯離子等有害成分。在干法除塵工藝中，灰塵經布袋收集除去，但煤氣中存在的氯離子和其它酸性有害物質卻沒有被大量帶走，當它們溶于因溫降等原因析出的煤氣飽和水時，冷凝水實際上成為了氯離子濃度較高的中強酸性。強酸將使得管壁在較短時間內減薄以致穿孔，同時氯離子對腐蝕的發展起促進作用。這便是噴淋前管道快速腐蝕以致泄漏的原因，同時也說明了為何除塵方式不同會影響管道腐蝕狀況。
這一針對管道腐蝕的原因分析，但波紋管腐蝕失效的情況則不同，并非奧氏體不銹鋼的氯離子應力腐蝕。G爐波紋管選材為超級奧氏體不銹鋼254，這種不銹鋼具有較好的耐氯離子應力腐蝕能力，事實上從現場觀察來看254材料制成的波紋確實沒有發生腐蝕，說明該波紋管選材合理。只是由于波紋管焊接結構設計和制造質量有欠缺，強酸環境使得碳鋼內襯板焊接缺陷處快速被腐蝕，同時氯離子也對焊縫腐蝕穿孔及脫焊起到一定促進作用，由此波紋管出現泄漏。
由此可知，要防止噴淋前管道和附件發生腐蝕泄漏，可以采取如下措施：將噴淋加堿的環節提前；強化噴淋前管道的內防腐；選擇合理的波紋管材料并提高波紋管焊接制作質量。
3.4 高爐煤氣主管道在使用干法除塵情況下的使用維護策略
G爐煤氣匯入高爐煤氣主管道。該主管道使用近25年，本身腐蝕嚴重且難以更新改造。主管道是否會受到G爐煤氣更大的腐蝕損傷，以及如何對其維護管理自然成為關注焦點。
盡管噴淋塔能夠有效緩解干法除塵工藝帶來的強酸性高氯含量冷凝水快速腐蝕高爐煤氣管道的有害作用，但即便是濕法除塵后的煤氣也具有一定的腐蝕性。根據表1中C#和D#位冷凝水及掛片數據可知高爐煤氣主管道沿線冷凝水基本均呈酸性且含有一定濃度的氯離子，而且碳鋼材料在這樣的冷凝水中確實會被逐漸腐蝕。掛片數據表明，整個主管道沿線各處冷凝水的腐蝕性差別不大，可以簡單地認為整個主管道的腐蝕速率大致相當。結合目前獲取的現場和實驗室掛片腐蝕速率數據，可以保守地估計出高爐煤氣主管道管壁腐蝕減薄速度大約為平均每年減薄0.25mm左右。這是一個比較快的腐蝕速率。
由此對高爐煤氣主管道給出如下維護策略建議：沿線各處同等重要，巡檢都應覆蓋到；重點關注管道中可能積聚冷凝水的部位以及冷凝水排量大的部位；目前采用的分區分時巡檢方式基本合理；持續對沿線各點冷凝水進行取樣分析，取樣周期可定為1-3個月；創造條件對沿線管道定期進行跟蹤測厚，測厚周期可定為1年。如新建管道，進行合適的內防腐。

4．結論
1) 煤氣管道腐蝕速率與冷凝水的pH值、溫度、氯離子濃度以及硫離子等其它有害離子濃度等因素有關。其中前兩者與腐蝕速率強相關，pH值越低、溫度越高，則腐蝕速率越高。硫酸根離子濃度則與腐蝕速率弱相關，其影響可忽略。氯離子濃度與腐蝕速率則呈現為較復雜的多次曲線關系。
2) 與傳統的濕法除塵工藝相比，由于缺少雙文環節的清洗作用，干法除塵工藝處理的高爐煤氣中含帶更多的有害物質，它們會與煤氣冷凝水結合，形成強酸性高氯含量的腐蝕性溶液，造成高爐煤氣管道本體及波紋管等附件的快速腐蝕。
3) 在干法除塵后使用噴淋塔清洗高爐煤氣，大量去除或中和煤氣中的大量氯離子和酸性物質，可以使煤氣冷凝水的pH值及氯離子濃度基本達到濕法除塵工藝對應水平，從而緩解干法除塵帶來的腐蝕方面的不利影響。要防止噴淋前管道和附件發生腐蝕泄漏，可以將噴淋加堿的環節提前，以及強化管道內防腐。
4) 由于高爐煤氣本身仍具有一定腐蝕性，因此應加強在役管道的監查和維護。

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