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干法除尘后高炉煤气管道快速腐蚀原因分析及对策探讨
作者:     信息来源:中国冶金信息网收集整理     时间:2013-02-21

  

  0.引言

  传统的高炉煤气净化系统由重力除尘器和二级文氏洗涤塔组成,其净化工艺俗称“湿法除尘”。与之相比,近年来推广使用的高炉煤气全干法除尘技术具有水耗低、污染少、发电多、除尘效果好等节能环保方面的诸多优点。然而,随着高炉煤气干法除尘工艺在多个钢铁厂的推广使用,关于高炉煤气管道及其附件发生快速腐蚀的报道开始出现。宝钢某高炉采用干法除尘工艺后,一方面取得了较好的节能环保效果,另一方面也出现了局部煤气管道快速腐蚀的问题。本文将以宝钢该高炉的煤气管道及与之相连的高炉煤气主管道为研究对象,探讨管道腐蚀的发生原因和防治措施。

  1.研究对象简述

  图1简单示意了研究对象所处流程和范围:高炉煤气从炉顶排出后,通过并联的干法或湿法系统进行除尘;然后通过并联的TRT或减压阀组调压;过消音器后分两路,一路供热风炉使用,另一路经过喷淋塔降温洗涤后送高炉煤气主管网;在主管网中,几座高炉送出的煤气混合在一起,再供给多个用户使用。为方便描述,使用干法除尘工艺的高炉称为G炉,其它仅使用湿法除尘工艺的高炉称为S炉。此系统有两个特点:干湿除尘系统并存;系统中设置有一个喷淋塔,向流通煤气喷射含碱水,起到降低煤气温度,中和煤气内酸性物质,以及去除煤气内部分含氯物质的作用,以期消除或减少其后管道出现文献所述的腐蚀损伤。
  干法除尘工艺投用两月余后,喷淋塔前煤气管道发生了与文献记载类似的腐蚀泄漏,具体故障位置如图1标识所示,包括布袋除尘器后均压管上的两个部位、进喷淋塔前总管上的一个部位、以及TRT出口管道上的两个波纹管和消音器后管道上的一个波纹管。
  
  
    2.分析用数据收集及准备
  2.1 泄漏故障点状况观察
  经观察,均压管和喷淋塔前总管上的腐蚀泄漏点均位于管道焊缝附近,且均位于管道下半圈接近底部的位置,比如图2所示均压管泄漏点。而发生泄漏的波纹管特点为:波纹本体完好,没有氯离子-不锈钢应力腐蚀开裂现象;泄漏源于部分部件接缝的失效,包括碳钢内衬板焊缝的腐蚀穿孔、开裂,或者波纹管与碳钢接管间焊缝的脱焊,参见图3。
  

 

  
  
    2.2 现场冷凝水数据
  煤气冷凝水成份和pH值可以简单有效地反映煤气腐蚀性,故对图1所示若干位置的煤气冷凝水进行多时段取样分析。其中部分较有代表性的冷凝水氯离子含量、硫酸根离子含量和pH值数据列于表1“冷凝水指标”中。
  2.3 现场挂片数据
  由于无法打开管道观察其内壁腐蚀的具体情况,故通过在多个冷凝水取样点实地挂片并测取其腐蚀速率来间接了解干法及湿法除尘情况下高炉煤气管道可能的腐蚀损伤。
    表1中腐蚀速率单位“mdd”的含义为:每平方分米面积上每天损失金属毫克数。需要说明的是,尽管表中同时列出的“冷凝水数据”和“挂片数据”并非同一时段测出数据,但仍具有较强对应关系。
  
表1  多时段内高炉煤气管网特定位置的煤气冷凝水取样分析结果和挂片试验数据
  
取样位置
  对应
  除尘工艺
  冷凝水指标
  挂片腐蚀速率/mdd
  编号
  位置
  Cl- 含量 /ppm
  SO42- 含量 /ppm
  pH值
  A#位
  G炉喷淋塔前
  干法
  6670
  219
  3.7
  193.1
  湿法
  65.9
  18.3
  6.1
  4.1
  B#位
  G炉喷淋塔后
  干法
  76.2
  2.53
  6
  20.38
  湿法
  14
  1.37
  6
  11.55
  C#位
  主管网西端
  干法
  0.37
  1.9
  5.4
  2.98
  D#位
  主管网东端
  干法
  14.8
  32.1
  5.8
  3.28
  E#位
  S炉入主管前
  湿法
  283
  13.5
  6.4
  10.9

  

  
    2.4 氯离子等因素对碳钢腐蚀速率影响的实验室分析

  

  
    由表1数据可知,煤气冷凝水成分及pH值等与煤气管道腐蚀速率之间存在一定关系。为进一步明确对应关系,参阅文献和标准JB/T7901-1999设计如下实验:浸泡周期168小时,试样材料Q235,尺寸50×25×2mm(长宽厚),溶液基准参数pH=6,温度50℃,氯离子浓度1000ppm,硫酸根离子浓度100ppm;以溶液的一个参数为变量,获得多种条件下碳钢挂片的腐蚀速率趋势。实验结果见图4-7。

  

  
  
  
    3.综合分析与讨论
  3.1 冷凝水参数对管道腐蚀的影响分析
  表1数据显示:冷凝水pH值越低、硫氯离子含量越高,则对应挂片腐蚀速率越高。图4和图7所示实验室腐蚀数据进一步表明:溶液pH值越低,或者硫酸根离子浓度越高,则碳钢越容易被腐蚀或者被腐蚀得越快。氯离子浓度与腐蚀速率的关系则较复杂,表现为随氯离子浓度逐渐增大,腐蚀速率呈现先增大后减小的变化趋势,见图6。另外,图5显示溶液温度越高则碳钢腐蚀速率越高,说明冷凝水温度也是影响管道腐蚀速率的重要因素之一。
  进一步,由实验室数据还可判断出各种因素对于管道腐蚀的影响程度。冷凝水pH值和温度对管道腐蚀速率的影响最大,而且腐蚀速率在图示范围内与pH值、腐蚀速率与温度间的比例关系较好。相比较而言,冷凝水氯离子浓度变化对碳钢挂片腐蚀速率变化的影响稍小些。但需要注意的是,氯离子对金属的腐蚀作用很复杂,它既对降低pH值有贡献,即间接地加强冷凝水的腐蚀性,同时又会直接对金属材料起腐蚀作用,因此是需要尽力消除的有害物质。至于硫酸根离子浓度,图7显示它对于碳钢腐蚀速率的影响较小,同时表1数据显示冷凝水中其值和变化幅度均较小,因此其影响甚至可以忽略不计。
  3.2 干、湿法除尘工艺情况下高炉煤气冷凝水腐蚀性对比及喷淋塔功效分析
  表1数据显示,干法除尘工况下喷淋塔前A#位煤气冷凝水pH值很低,酸性很强,氯离子浓度高至近104ppm数量级,硫酸根离子浓度也较高;但当高炉使用湿法除尘工艺时情况将发生很大的变化:管道冷凝水pH值上升至6左右,氯离子浓度下降至10ppm数量级,硫酸根离子浓度则下降约一个数量级。这一变化表明干法或湿法除尘方式对于喷淋塔前煤气冷凝水成份及酸性的影响很大。与此对应,干法除尘时喷淋塔前管道冷凝水挂片的腐蚀速率比湿法除尘时的腐蚀速率高两个数量级,前者大约是后者的50倍。由此可得出如下推论:与湿法除尘情况相比,干法除尘后煤气冷凝水的腐蚀性会大为增加。
  喷淋塔后管道的情况则有所不同。表1中B#位-D#位数据显示:尽管可能有一至两个数量级的波动,但无论干法还是湿法除尘工艺,对应喷淋塔后管道冷凝水的pH值、氯离子浓度、硫酸根离子浓度以及挂片腐蚀速率均无显著区别,而且这些值均优于喷淋塔前A#位在干法除尘情况下的对应值。这一方面解释了为何图1所示的腐蚀泄漏点尚未出现在喷淋塔后,同时也说明:通过在喷淋塔中向流经煤气喷射碱性水,确实可以起到降低煤气腐蚀性的作用,喷淋塔的设置和设计基本上可以弥补干法除尘工艺缺陷所带来的管道快速腐蚀问题。
  3.3 喷淋前煤气管道及波纹管附件腐蚀泄漏的原因分析和改进对策
  从高炉出口的荒煤气中携带着大量灰尘和有害物质。在传统的湿法除尘工艺中,双文装置中的大量循环洗涤水在除去灰尘的同时也稀释带走了煤气中的大部分酸性物质和硫氯离子等有害成分。在干法除尘工艺中,灰尘经布袋收集除去,但煤气中存在的氯离子和其它酸性有害物质却没有被大量带走,当它们溶于因温降等原因析出的煤气饱和水时,冷凝水实际上成为了氯离子浓度较高的中强酸性。强酸将使得管壁在较短时间内减薄以致穿孔,同时氯离子对腐蚀的发展起促进作用。这便是喷淋前管道快速腐蚀以致泄漏的原因,同时也说明了为何除尘方式不同会影响管道腐蚀状况。
  这一针对管道腐蚀的原因分析,但波纹管腐蚀失效的情况则不同,并非奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀。G炉波纹管选材为超级奥氏体不锈钢254,这种不锈钢具有较好的耐氯离子应力腐蚀能力,事实上从现场观察来看254材料制成的波纹确实没有发生腐蚀,说明该波纹管选材合理。只是由于波纹管焊接结构设计和制造质量有欠缺,强酸环境使得碳钢内衬板焊接缺陷处快速被腐蚀,同时氯离子也对焊缝腐蚀穿孔及脱焊起到一定促进作用,由此波纹管出现泄漏。
  由此可知,要防止喷淋前管道和附件发生腐蚀泄漏,可以采取如下措施:将喷淋加碱的环节提前;强化喷淋前管道的内防腐;选择合理的波纹管材料并提高波纹管焊接制作质量。
  3.4 高炉煤气主管道在使用干法除尘情况下的使用维护策略
  G炉煤气汇入高炉煤气主管道。该主管道使用近25年,本身腐蚀严重且难以更新改造。主管道是否会受到G炉煤气更大的腐蚀损伤,以及如何对其维护管理自然成为关注焦点。
  尽管喷淋塔能够有效缓解干法除尘工艺带来的强酸性高氯含量冷凝水快速腐蚀高炉煤气管道的有害作用,但即便是湿法除尘后的煤气也具有一定的腐蚀性。根据表1中C#和D#位冷凝水及挂片数据可知高炉煤气主管道沿线冷凝水基本均呈酸性且含有一定浓度的氯离子,而且碳钢材料在这样的冷凝水中确实会被逐渐腐蚀。挂片数据表明,整个主管道沿线各处冷凝水的腐蚀性差别不大,可以简单地认为整个主管道的腐蚀速率大致相当。结合目前获取的现场和实验室挂片腐蚀速率数据,可以保守地估计出高炉煤气主管道管壁腐蚀减薄速度大约为平均每年减薄0.25mm左右。这是一个比较快的腐蚀速率。
  由此对高炉煤气主管道给出如下维护策略建议:沿线各处同等重要,巡检都应覆盖到;重点关注管道中可能积聚冷凝水的部位以及冷凝水排量大的部位;目前采用的分区分时巡检方式基本合理;持续对沿线各点冷凝水进行取样分析,取样周期可定为1-3个月;创造条件对沿线管道定期进行跟踪测厚,测厚周期可定为1年。如新建管道,进行合适的内防腐。
  
  4.结论
  1) 煤气管道腐蚀速率与冷凝水的pH值、温度、氯离子浓度以及硫离子等其它有害离子浓度等因素有关。其中前两者与腐蚀速率强相关,pH值越低、温度越高,则腐蚀速率越高。硫酸根离子浓度则与腐蚀速率弱相关,其影响可忽略。氯离子浓度与腐蚀速率则呈现为较复杂的多次曲线关系。
  2) 与传统的湿法除尘工艺相比,由于缺少双文环节的清洗作用,干法除尘工艺处理的高炉煤气中含带更多的有害物质,它们会与煤气冷凝水结合,形成强酸性高氯含量的腐蚀性溶液,造成高炉煤气管道本体及波纹管等附件的快速腐蚀。
  3) 在干法除尘后使用喷淋塔清洗高炉煤气,大量去除或中和煤气中的大量氯离子和酸性物质,可以使煤气冷凝水的pH值及氯离子浓度基本达到湿法除尘工艺对应水平,从而缓解干法除尘带来的腐蚀方面的不利影响。要防止喷淋前管道和附件发生腐蚀泄漏,可以将喷淋加碱的环节提前,以及强化管道内防腐。
  4) 由于高炉煤气本身仍具有一定腐蚀性,因此应加强在役管道的监查和维护。
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