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摘要：本文分析了酸气放空系统水封罐的腐蚀机理，讨论了酸气放空系统水封罐的选材和防腐蚀措施等，并提出了解决方案。
关键词：酸气；硫化氢；水封罐；复合板
1.概述
火炬设施是石油石化行业重要的安全环保设施，水封罐是火炬放空系统防回火的重要设备之一，对火炬系统的安全运行提供重要保障。水封罐的主要作用是：（1）防止火炬筒体回火，保护上游管道和装置安全；（2）存在火炬气回收装置时，作为压力控制设备，保持火炬排放系统的压力。系统放空时，放空气体先进入火炬分液罐，然后进入火炬水封罐，再去火炬进行放空处理。
2.现场情况
2.1 设备参数
（1）气质组分
（2）设计条件
操作压力：0.03—0.1MPa；设计压力：1.0MPa；
操作温度：20℃—90℃；设计温度：120℃；
正常液位高度：1800mm；PH值：6—7；容积：133m3。
2.2 现场情况
天然气净化厂低压火炬水封罐于2010年投入生产运行，低压放空气含有H2S、CO2，另有固体颗粒杂质存在。净化厂低压火炬水封罐设计压力1.0MPa，尺寸为Φ3640×13640×20 mm，材质为20R。
2017年11月现场进行检测发现壁厚减薄严重，壁厚为设计壁厚的70%的部位占60%，在设备进口底部壁厚为设计壁厚的50%，已经发生腐蚀穿孔，渗漏情况严重，不能安全运行。
3. 腐蚀原因分析
3.1主要腐蚀形态
低压放空气含有H2S、CO2，另有固体颗粒杂质存在，主要腐蚀机理如下：
（1）静态H2S-CO2液相腐蚀
硫化铁腐蚀产物附着于碳钢表面，作为阴极与钢基构成一个腐蚀电池，继续对碳钢的腐蚀。在不同的H2S浓度、PH值、温度条件下，生成的腐蚀产物FexSy膜结构性质也不同，将导致管材腐蚀的减缓或加速。
（2）沉积物的垢下腐蚀
垢下腐蚀是一种特殊的局部腐蚀形态，其机理是由于受设备几何形状和腐蚀产物、沉积物的影响，使得介质在金属表面的流动和电介质的扩散受到限制，造成被阻塞的空腔内介质化学成分与整体介质有很大差别，空腔内介质pH值发生较大变化，形成阻塞电池腐蚀，尖端的电极电位下降，造成电池腐蚀。按其腐蚀原理可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀两种。结垢后使得液相中的腐蚀成分在垢下金属表面富集并产生化学腐蚀反映，腐蚀的结果是局部金属被损伤减薄，导致管线穿孔泄露。
（3）冲刷磨蚀
水封罐下半部长期处于浸没状态，当低压放空气通过进气口进入水封罐时，气体从进气管底部流出时气流方向将发生改变，局部阻力增大，使得气流形成湍流，并带动罐内液体发生强烈的湍动。此时，气流与液体共同作用，造成气液相冲刷腐蚀，由于湍流使罐内液体的搅动，下半部罐壁与液体接触更为频繁，内表面不断被高速气液相交替冲击，不断的冲刷掉已形成的保护膜或者腐蚀产物，交替往复，使得水封罐浸没部分的局部腐蚀加重。
3.2腐蚀穿孔原因分析
净化厂低压放空水封罐材质为碳钢（20R），结合水封罐所处工况介质条件和影响腐蚀的各种因素，腐蚀穿孔的原因有：
（1）形成湿H2S腐蚀环境，发生电化学腐蚀，从图1可见浸没区域越靠近底部区域腐蚀越为严重；
（2）放空呈现间歇性，在放空过程中因瞬时的压力变化会导致液相中H2S、CO2浓度升高，腐蚀加剧；
（3）放空气中含有的固体颗粒形成垢下腐蚀环境，气流对形成腐蚀的部位进行反复的冲刷侵蚀，加剧了腐蚀的进展，从图2中可见靠近进气口区域腐蚀最为严重。
4.设备选材
4.1选材方案
根据对水封罐腐蚀机理的分析，水封罐的腐蚀主要以电化学腐蚀为主，伴随着垢下腐蚀。根据表1中的气体组分，经计算硫化氢分压为0.065MPa，二氧化碳分压为0.035MPa，根据SY/T 0599的规定属于硫化氢腐蚀处于SSC2区，另外二氧化碳腐蚀处于中等腐蚀状态。而且大量的实验和实际工程表明湿H2S和CO2对碳钢和低合金钢有明显的腐蚀状况，为了防止介质的电化学腐蚀，通常采取以下措施：
（1）设备采用碳钢材料，并进行设备内防腐，将介质与金属隔开，这是防止介质内腐蚀腐蚀的普遍做法。
（2）设备采用耐腐蚀高合金材料。根据SY/T 0599中奥氏体不锈钢的适用范围：“若氯化物浓度低于50mg/L，允许的硫化氢分压最大值为0.35MPa”，所以本工程可以选用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是在碳钢的基础上增加了Cr、Ni和Mo等合金元素，提高材料的耐腐蚀性能，典型牌号为S31603。目前为了降低不锈钢材料的成本，碳钢+不锈钢复合板材料的使用较为普遍和成熟，复合板材料由基层（碳钢）和覆层（不锈钢）复合而成，碳钢满足强度要求，不锈钢满足耐腐蚀性能。
针对本次水封罐的操作工况，选材设计考虑以下两种方案：
方案一：碳钢Q245R+奥氏体不锈钢S31603复合板；
方案二：碳钢Q245R+防腐涂层。
4.2方案对比
（1）耐腐蚀性对比
方案一：碳钢Q245R复合板+奥氏体不锈钢S31603
该方案采用的复合板材料是在碳钢的基础上复合一层3mm的不锈钢材料，与腐蚀介质直接接触的是不锈钢材料，不锈钢具有优良的耐腐蚀性能。
方案二：碳钢Q245R+防腐涂层
该方案采用的碳钢材料本身不具备耐电化学腐蚀的能力，需要对设备内部进行防腐，进而隔离碳钢和介质，达到防腐的目的。对于湿H2S和CO2的腐蚀工况，需要对涂料进行筛选，涂料本身的性能、施工方法和施工质量对最终的防腐效果影响很大，一方面是涂料普遍都有老化的问题，另一方面内防腐处理工艺复杂，表面一旦有缺陷，极易导致更严重的局部腐蚀。所以内防腐的人为不确定因素较大，耐腐蚀性能不确定性因素多。已建的水封罐采用的20R碳钢材料，在使用7年的时间后发生了大面积的腐蚀和穿孔，足以说明碳钢材料耐电化学耐腐蚀的性能较差。
（2）安全性对比
方案一：碳钢Q245R复合板+奥氏体不锈钢S31603
该方案采用的复合板材料，不锈钢材料直接与介质接触，具有较强的耐腐蚀性能，延长使用寿命，安全性较高。
方案二：碳钢Q245R+内防腐涂层
该方案对内防腐涂层的要求较高，一旦内涂层老化或者局部损坏，将加快碳钢材料的局部腐蚀，发生穿孔，存在安全隐患，影响正常生产。
5.结束语
通过对净化厂酸气放空系统水封罐腐蚀问题原因的分析和选材方案对比，进而提出解决问题的方法，重点从设备选材入手，无论是从耐腐蚀还是经济性的角度考虑，该方案都占有一定优势。目前碳钢材质的水封罐运行7年就已经发生严重腐蚀，甚存在安全隐患，严重影响生产安全。所以，考虑“碳钢+耐蚀合金复合板”的选材方案是较为合理的。
作者简介：高世国，男，工程师，2010年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业。现在中石化石油工程设计有限公司主要从事加热炉及压力容器的设计工作。
（作者單位：中石化石油工程设计有限公司）
关键词：酸气；硫化氢；水封罐；复合板
1.概述
火炬设施是石油石化行业重要的安全环保设施，水封罐是火炬放空系统防回火的重要设备之一，对火炬系统的安全运行提供重要保障。水封罐的主要作用是：（1）防止火炬筒体回火，保护上游管道和装置安全；（2）存在火炬气回收装置时，作为压力控制设备，保持火炬排放系统的压力。系统放空时，放空气体先进入火炬分液罐，然后进入火炬水封罐，再去火炬进行放空处理。
2.现场情况
2.1 设备参数
（1）气质组分
（2）设计条件
操作压力：0.03—0.1MPa；设计压力：1.0MPa；
操作温度：20℃—90℃；设计温度：120℃；
正常液位高度：1800mm；PH值：6—7；容积：133m3。
2.2 现场情况
天然气净化厂低压火炬水封罐于2010年投入生产运行，低压放空气含有H2S、CO2，另有固体颗粒杂质存在。净化厂低压火炬水封罐设计压力1.0MPa，尺寸为Φ3640×13640×20 mm，材质为20R。
2017年11月现场进行检测发现壁厚减薄严重，壁厚为设计壁厚的70%的部位占60%，在设备进口底部壁厚为设计壁厚的50%，已经发生腐蚀穿孔，渗漏情况严重，不能安全运行。
3. 腐蚀原因分析
3.1主要腐蚀形态
低压放空气含有H2S、CO2，另有固体颗粒杂质存在，主要腐蚀机理如下：
（1）静态H2S-CO2液相腐蚀
硫化铁腐蚀产物附着于碳钢表面，作为阴极与钢基构成一个腐蚀电池，继续对碳钢的腐蚀。在不同的H2S浓度、PH值、温度条件下，生成的腐蚀产物FexSy膜结构性质也不同，将导致管材腐蚀的减缓或加速。
（2）沉积物的垢下腐蚀
垢下腐蚀是一种特殊的局部腐蚀形态，其机理是由于受设备几何形状和腐蚀产物、沉积物的影响，使得介质在金属表面的流动和电介质的扩散受到限制，造成被阻塞的空腔内介质化学成分与整体介质有很大差别，空腔内介质pH值发生较大变化，形成阻塞电池腐蚀，尖端的电极电位下降，造成电池腐蚀。按其腐蚀原理可分为酸性腐蚀和碱性腐蚀两种。结垢后使得液相中的腐蚀成分在垢下金属表面富集并产生化学腐蚀反映，腐蚀的结果是局部金属被损伤减薄，导致管线穿孔泄露。
（3）冲刷磨蚀
水封罐下半部长期处于浸没状态，当低压放空气通过进气口进入水封罐时，气体从进气管底部流出时气流方向将发生改变，局部阻力增大，使得气流形成湍流，并带动罐内液体发生强烈的湍动。此时，气流与液体共同作用，造成气液相冲刷腐蚀，由于湍流使罐内液体的搅动，下半部罐壁与液体接触更为频繁，内表面不断被高速气液相交替冲击，不断的冲刷掉已形成的保护膜或者腐蚀产物，交替往复，使得水封罐浸没部分的局部腐蚀加重。
3.2腐蚀穿孔原因分析
净化厂低压放空水封罐材质为碳钢（20R），结合水封罐所处工况介质条件和影响腐蚀的各种因素，腐蚀穿孔的原因有：
（1）形成湿H2S腐蚀环境，发生电化学腐蚀，从图1可见浸没区域越靠近底部区域腐蚀越为严重；
（2）放空呈现间歇性，在放空过程中因瞬时的压力变化会导致液相中H2S、CO2浓度升高，腐蚀加剧；
（3）放空气中含有的固体颗粒形成垢下腐蚀环境，气流对形成腐蚀的部位进行反复的冲刷侵蚀，加剧了腐蚀的进展，从图2中可见靠近进气口区域腐蚀最为严重。
4.设备选材
4.1选材方案
根据对水封罐腐蚀机理的分析，水封罐的腐蚀主要以电化学腐蚀为主，伴随着垢下腐蚀。根据表1中的气体组分，经计算硫化氢分压为0.065MPa，二氧化碳分压为0.035MPa，根据SY/T 0599的规定属于硫化氢腐蚀处于SSC2区，另外二氧化碳腐蚀处于中等腐蚀状态。而且大量的实验和实际工程表明湿H2S和CO2对碳钢和低合金钢有明显的腐蚀状况，为了防止介质的电化学腐蚀，通常采取以下措施：
（1）设备采用碳钢材料，并进行设备内防腐，将介质与金属隔开，这是防止介质内腐蚀腐蚀的普遍做法。
（2）设备采用耐腐蚀高合金材料。根据SY/T 0599中奥氏体不锈钢的适用范围：“若氯化物浓度低于50mg/L，允许的硫化氢分压最大值为0.35MPa”，所以本工程可以选用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是在碳钢的基础上增加了Cr、Ni和Mo等合金元素，提高材料的耐腐蚀性能，典型牌号为S31603。目前为了降低不锈钢材料的成本，碳钢+不锈钢复合板材料的使用较为普遍和成熟，复合板材料由基层（碳钢）和覆层（不锈钢）复合而成，碳钢满足强度要求，不锈钢满足耐腐蚀性能。
针对本次水封罐的操作工况，选材设计考虑以下两种方案：
方案一：碳钢Q245R+奥氏体不锈钢S31603复合板；
方案二：碳钢Q245R+防腐涂层。
4.2方案对比
（1）耐腐蚀性对比
方案一：碳钢Q245R复合板+奥氏体不锈钢S31603
该方案采用的复合板材料是在碳钢的基础上复合一层3mm的不锈钢材料，与腐蚀介质直接接触的是不锈钢材料，不锈钢具有优良的耐腐蚀性能。
方案二：碳钢Q245R+防腐涂层
该方案采用的碳钢材料本身不具备耐电化学腐蚀的能力，需要对设备内部进行防腐，进而隔离碳钢和介质，达到防腐的目的。对于湿H2S和CO2的腐蚀工况，需要对涂料进行筛选，涂料本身的性能、施工方法和施工质量对最终的防腐效果影响很大，一方面是涂料普遍都有老化的问题，另一方面内防腐处理工艺复杂，表面一旦有缺陷，极易导致更严重的局部腐蚀。所以内防腐的人为不确定因素较大，耐腐蚀性能不确定性因素多。已建的水封罐采用的20R碳钢材料，在使用7年的时间后发生了大面积的腐蚀和穿孔，足以说明碳钢材料耐电化学耐腐蚀的性能较差。
（2）安全性对比
方案一：碳钢Q245R复合板+奥氏体不锈钢S31603
该方案采用的复合板材料，不锈钢材料直接与介质接触，具有较强的耐腐蚀性能，延长使用寿命，安全性较高。
方案二：碳钢Q245R+内防腐涂层
该方案对内防腐涂层的要求较高，一旦内涂层老化或者局部损坏，将加快碳钢材料的局部腐蚀，发生穿孔，存在安全隐患，影响正常生产。
5.结束语
通过对净化厂酸气放空系统水封罐腐蚀问题原因的分析和选材方案对比，进而提出解决问题的方法，重点从设备选材入手，无论是从耐腐蚀还是经济性的角度考虑，该方案都占有一定优势。目前碳钢材质的水封罐运行7年就已经发生严重腐蚀，甚存在安全隐患，严重影响生产安全。所以，考虑“碳钢+耐蚀合金复合板”的选材方案是较为合理的。
作者简介：高世国，男，工程师，2010年毕业于中国石油大学（华东）过程装备与控制工程专业。现在中石化石油工程设计有限公司主要从事加热炉及压力容器的设计工作。
（作者單位：中石化石油工程设计有限公司）