CN101477027A

CN101477027A - 高温高流速环烷酸腐蚀试验装置及试验方法

Info

Publication number: CN101477027A
Application number: CNA2009101161048A
Authority: CN
Inventors: 徐鹏; 陈学东; 秦宗川; 刘牧
Original assignee: PRESSURE VESSEL TESTING STATION OF HEFEI GENERAL MACHINERY RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: Hefei General Machinery Research Institute special equipment inspection station Co., Ltd
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: CN101477027B

Abstract

高温高流速环烷酸腐蚀试验装置及试验方法，其特征是以具有内置预热器的储油罐为中心，油路管道自储油罐引出，依次经过出油过滤器、管流循环泵或喷射循环泵、外部加热系统、管流试验装置或喷射试验装置之后返回储油罐构成封闭的试验循环回路；在外部加热系统的油液出口处设置回油支路，通过回油支路与储油罐和外部加热系统构成封闭的回油循环回路。本发明用于实现高温高流速条件下的冲刷腐蚀实验，开展高温与腐蚀介质共同作用下材料损伤机理研究，进而对炼油装置材料在高温高流速环烷酸介质中的冲刷腐蚀机制和控制规律进行系统深入的研究。

Description

高温高流速环烷酸腐蚀试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及环烷酸腐蚀试验装置及试验方法，更具体地说是一种高温高流速环烷酸腐蚀试验装置及试验方法。

背景技术

环烷酸是原油中最重要的酸性含氧化合物，其化学性质与脂肪酸相似，是典型的一元羧酸，其含量约占总酸性物的90％左右。原油中环烷酸的含量一般在0.02～2.0％。在原油中一般用酸值的大小来判断环烷酸的含量，当酸值大于0.5mgKOH/g时就会引起设备的腐蚀。炼油装置的环烷酸腐蚀(NAC)一直是炼油厂亟待解决的难题之一。随着使用高酸值原油的增加，这一问题变得更为突出，特别是在局部的高温高流速部位，由此产生事故频繁发生，严重威胁着炼厂的安全生产。

环烷酸的腐蚀作用受温度的影响比较大；低于220℃几乎没有腐蚀，随着温度的升高，腐蚀逐渐加剧。从温度上讲，环烷酸有两个显著腐蚀阶段。第一阶段是270～280℃，环烷酸发生气化开始腐蚀。当温度再升高时，腐蚀作用反而减弱，直到温度升到350～400℃时，因原油中的硫化物分解成硫元素，对金属设备有剧烈腐蚀作用，在环烷酸、硫元素和H₂S的互相作用下，环烷酸的腐蚀加剧。400℃后，环烷酸气化完毕，其腐蚀作用减缓。

环烷酸腐蚀还是一种高温冲蚀，受流动状态的影响较大，在层流区域内腐蚀性较小，在液流区域腐蚀性较大；在液流的高湍动区域，液流呈现气—液混合相时腐蚀性较强，且环烷酸的腐蚀受液流速度的影响，液流速度越快腐蚀越重。低速部位的腐蚀形态为喷火口状的尖锐孔洞，高速部位则顺着流向出现沟槽。研究表明高流速和低流速的分界线为100fps(约30m/s)，高速区的腐蚀速率在同等条件下提高5倍。

研究揭示环烷酸腐蚀现象的本质，掌握其控制因素，找出有效的抑制或防护方法，对炼油装置的安全保障有重要的意义，不仅能为在役炼油装置确定合理的安全裕度，使炼油装置在不发生环烷酸腐蚀破坏的前提下最大限度地炼制低品质原油，降低炼油生产成本；而且能指导新建炼油装置选材，使用低成本/高抗蚀性能材料制造炼油设备，节省建厂成本。

然而，由于环烷酸腐蚀的影响因素复杂，且在实验室开展模拟研究相对困难，迄今对该腐蚀现象的本质及其控制因素仍缺乏深入的认识。究其主要原因在于：

1、环烷酸腐蚀的影响因素非常复杂，温度、酸值、流速及设备材料等因素均与这种腐蚀现象有密切的关系；

2、绝大部分研究主要局限于腐蚀事例或现场挂片和静态浸泡得到的数据，在试验室条件下模拟工业炼油环境的高温高流速状态限于试验条件十分困难，至今仍缺乏有效的试验室研究手段，无法模拟真实工业炼油环境条件下循环油的高温高流速状态。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种高温高流速环烷酸腐蚀试验装置及试验方法，以实现高温高流速条件下的冲刷腐蚀实验，开展高温与腐蚀介质共同作用下材料损伤机理研究，进而对炼油装置材料在高温高流速环烷酸介质中的冲刷腐蚀机制和控制规律进行系统深入的研究。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明高温高流速环烷酸腐蚀试验装置的结构特点是以具有内置预热器的储油罐为中心，油路管道自储油罐引出，依次经过出油过滤器、管流循环泵或喷射循环泵、外部加热系统、管流试验装置或喷射试验装置之后返回储油罐构成封闭的试验循环回路；在外部加热系统的油液出口处设置回油支路，通过回油支路与储油罐和外部加热系统构成封闭的回油循环回路。

本发明的结构特点也在于：

外部加热系统具有多个加热单元，其中有一个辅助加热单元设置为具有内套管的套管式换热器，回油支路通过套管式换热器的内套管接回接至储油罐。

所述外部加热系统设置为三个加热单元，其中，处在加热系统油液入口处的是具有三组加热器的第一加热单元，处在加热系统的油液出口处的是具有两组加热器的第二加热单元，套管式换热器作为辅助加热单元设置在第一加热单元和第二加热单元之间。

所述管流试验装置上同时设置多个监测口，包括腐蚀速度测试仪端口、腐蚀监测探针端口、金属测试挂片端口以及其它电化学测试仪器端口。

所述喷射试验装置设置有圆锥收缩型喷嘴，用于放置圆盘状试样的试样托盘对应设置在喷嘴的下方。

本发明高温高流速环烷酸腐蚀试验装置的试验方法的特点是按如下步骤进行：

a、油液在储油罐中预热达到50℃；

b、开启回油循环回路，油液在回油循环回路中被加热至试验所需要的400℃；

c、关闭回油循环回路，开启试验循环回路，对试样进行试验；

d、完成试验后，重新开启回油循环回路，同时关闭试验循环回路，停止加热，待油液冷却后取出试样；

本发明方法的特点也在于设置储油罐中油液温度自50℃温升到400℃的时间为4小时。

在封闭的试验循环回路中充入有N2惰性气体，气体压力≤1MPa。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明模拟工业炼油环境的高温高流速状态，集管流法和喷射法功能于一体，可完全满足炼油装置材料在高温高流速环烷酸介质中的冲刷腐蚀科研试验的要求，单机可实现试验温度、流速等试验参数调节与控制单元操作；也适用于其它种类腐蚀介质科研试验要求。

2、本发明可达到试验温度400℃、介质流速100m/s，实现了试验室模拟真实工业炼油环境条件下循环油的高温高流速状态；

3、本发明采用分级加热，解决了循环油加热过程中结焦与沸腾汽化问题；

4、本发明以高速射流喷射试验装置实现流体冲刷，使装置能够充分体现出冲刷腐蚀过程中因流体冲刷作用而造成的力学损伤以及其对腐蚀的促进作用；

5、本发明全部采用密闭系统，不会有试验介质逸出。对于在试验过程中极少量有可能泄漏出的含H₂S等有毒、恶臭气体，通过废气净化处理装置净化处理后排放，完全满足废气排放标准要求；

6、本发明方法中在储油罐内提前预热，可以有效降低循环油粘度、提高其流动性；外部加热系统的设置使得不易在加热器电加热管表面产生结焦、结垢现象。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明中管流试验装置结构示意图。

图3为本发明中喷射试验装置中喷嘴结构示意图。

图中标号：1管流循环泵、2喷射循环泵、3第一加热单元、4套管式换热器、5第二加热单元、6过滤器、7高温涡流流量计、8试验段阀门、9喷射试验装置、9a圆锥收缩型喷嘴、9b试样托盘、10温度传感器、11压力表、12管流试验装置、12a监测口、13储油罐、14排水排汽阀、15出油过滤器、16止回阀、17安全阀、18回流段阀门、19试样。

I主供油管路、II-1管流循环泵供油管路、II-2喷射循环泵供油管路、III-1管流循环泵回流管路、III-2喷射循环泵回流管路、IV循环油加热管路、V循环油供油管路、VI循环油回油管路、VII管流试验管路、VIII喷射试验管路、IX污油排油管路。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施方式

参见图1，本实施例是以具有内置预热器的储油罐13为中心，油路管道自储油罐13引出，依次经过出油过滤器15、管流循环泵1或喷射循环泵2、外部加热系统、管流试验装置12或喷射试验装置9之后返回储油罐13构成封闭的试验循环回路；在外部加热系统的油液出口处设置回油支路VI，通过回油支路VI与储油罐13和外部加热系统构成封闭的回油循环回路。

具体实施中，外部加热系统设置有三个加热单元，一个加热单元设置为具有内套管的套管式换热器4，回油支路VI通过套管式换热器4的内套管接回接至储油罐13；处在加热系统油液入口处的是具有三组加热器的第一加热单元3，处在加热系统的油液出口处的是具有两组加热器的第二加热单元5，套管式换热器4作为辅助加热单元设置在第一加热单元3和第二加热单元5之间。

具体实施中，装置整体呈框架式结构，各输油管道、回油管道、排水管道和排汽管道，以及管道上的各控制阀、调节阀和显示仪表均呈立面排布在框架上方。

其它相应的结构如图1所示，包括：

循环油供油系统：从储油罐13出发，以管流循环泵1和喷射循环泵2分别为动力源，由主供油管路I、管流循环泵供油管路II-1、喷射循环泵供油管路水II-2、循环油供油管路V、以及依序串联设置在主供油管道I上的出油过滤器15、止回阀16、循环油供油管路V上的过滤器6、高温涡流流量计7、试验段阀门8、温度传感器10和压力表11构成。

加热循环系统：循环油先在储油罐13加热，通过循环油加注系统后，继续在第一加热单元3、套管式换热器4、第二加热单元5中加热，并沿循环油加热管路IV、循环油回油管路VI返回储油罐13。

污油排出装置：主要包括污油排油管路IX和各管路上的排水排汽阀14。

泄压平衡系统管路：从循环泵出口，包括管流循环泵回流管路III-1、喷射循环泵回流管路III-2以及安全阀17和储油罐13上安装的安全阀。

试验段：包括喷射试验管路VIII、管流试验管路VII以及设置在管路上的喷射试验装置9和管流试验装置12。

试验方法按如下步骤进行：

1、以高温导热油为基础油，加入精制的环烷酸，配制成含腐蚀介质油液，加入储油罐13中，在储油罐13中预热到50℃开始循环；

2、循环油在外部加热系统中继续得到加热，当外部加热系统出口处油液温度尚未达到试验所要求的温度，则关闭试验段阀门8，开启回流段阀门18，使油液经换热器4回到储油罐13，如此通过循环油加热管路IV和循环油回油管路VI形成循环回路；

3、循环油经循环并保持加热，待外部加热系统出口处油液温度达到试验所需要的400℃时，开启试验段阀门8，同时关闭回流段阀门18，使循环油进入循环油供油管路V，油液即可到达试验段，根据试验需要进入管流试验装置12循环流动，或进入喷射试验装置9以喷射状态冲击试样，形成高温高流速冲蚀环境；

4、试验结束后，首先开启外部加热系统出口处的回流段阀门18，再关闭试验段阀门8，同时停止加热系统工作，待油液降温后，停止循环，取出试样，进行分析。

针对管流试验与喷射试验所需要的流量与压力的不同，试验中根据不同的试验的要求分别选用管流循环泵1和喷射循环泵2，以形成相应的试验工况；管流循环泵1和喷射循环泵2均可通过变频器调节驱动电机的转速来改变油泵的输出流量。

由于循环介质主要为油品，其加热时存在两个问题：首先，加热速度过快，油会发生结焦，还会逐渐劣化，不仅会改变循环介质的性质，而且产生的积垢影响传热效果、妨碍管道系统的畅通；其次，循环油介质在高温下易发生沸腾，一旦达到油的沸点温度，输入的热能主要用于油的汽化，想进一步提高其温度十分困难，并且油的汽化也会导致循环介质由纯液相变为气液双相。

为解决循环油在加热过程中的结焦、沸腾与汽化问题，本实施例中采取如下措施：

a、延长加热时间，系统从50℃加热到400℃所用时间设置为4小时，使循环油温度在系统内循环过程中缓慢上升。

b、全部设备管道系统保温，并在加热器之间的管道上采取套管式换热器4回收余热。这样进一步控制加热速度和利用管道系统内循环油热量，可以有效地避免加热过快导致的结焦问题。

c、分级加热。除在储油罐13内设置一台10kw插入式内置预热器以提前预热，降低循环油粘度、提高其流动性外；外部加热系统采用的是三台25kw加热器构成的第一加热单元3、两台25kw加热器构成的第二加热单元5，不易在加热器电加热管表面产生结焦、结垢现象。

d.系统增压。向全部闭式系统内通入惰性气体N₂，气体压力≤1MPa。增加系统压力来提高循环油的沸点，可一定程度下避免沸腾和汽化；而且N₂覆盖系统还可使循环油免遭湿空气侵蚀，将循环油的氧化程度降至最低，避免不溶物的形成，引起严重的结垢，导致系统传热效率降低。

5、各加热单元中加热器出口管口设置在加热器的最上方，这样可以排空加热器内部的空气，避免在加热器内产生液气混合现象。

管流试验装置

管流试验装置12是模拟管道流体循环流动冲刷腐蚀的实际工况。

系统中设置变频器用于调节循环泵1的流量变化，并且与流量控制阀一起来控制试验系统的流速，提供一个较宽的试验工况范围，供不同试验选择。试验系统的流速由高温涡流流量计7来指示。

为使试验结果不受到其他因素的影响，从理想角度来考虑，要求在管流试验装置前的循环油流动尽量平稳，为此留有充足的平滑段。管流试验装置设计长度为2000mm，管径与管道系统相同，均为DN50mm，通过法兰与管道系统连接，前后均设置了阀门，便于在不同试验时对管流段管径结构进行调整。因此，如果试验要考察流态突变与冲刷腐蚀间的关系，在管流段可以进行变径或设置急弯等结构来模拟流态变化；还可以设置不同的管径段，可在相同的条件下，进行不同流速的试验，便于研究流速对腐蚀速度的影响规律。

管流试验装置12上可以设置多个监测口12a，可以插入腐蚀速度测试仪、各类腐蚀监测探针、金属测试挂片以及其它电化学测试仪器，用于在流动状态下，进行腐蚀速率和电化学方面的监测与研究。

喷射试验装置

本试验装置采用喷射冲击法实现油的高流速状态，具体通过喷射循环泵2、控制阀门和流体喷射段9的配合来实现循环介质的高速流动，其中可变频调节的喷射循环泵2主要驱动循环介质在系统中流动，并控制系统的最大流量；泵出口处的阀门可调节系统流量；喷射装置9产生高速液流，实现流体冲刷。

喷射装置最关键的部件就是喷嘴。本实施例中设置圆锥收缩型喷嘴9a，用于放置圆盘状试样19的试样托盘9b对应设置在喷嘴9a的下方。根据流体动力学计算，要达到最高流速100m/s的试验流速，需要大动能而只需要较小流量—最高出口压力4.6MPa，最大流量2m³/h。因此喷嘴必须满足这种特定的试验工况，所设计的圆锥收缩型喷嘴特点是内收缩后不需过分扩张，因此阻力较小，这种喷嘴流速系数较大，出口流速在各类喷嘴中最高，扩张角θ＝13°，不但出口速度大，而且有相当的流量，这时的动能达到最大值。这有利于实现高流速的试验条件。

影响流体冲刷效果的因素很多，包括流体在喷嘴出口处的速度u、喷嘴直径d、喷嘴出口距试样表面的距离L，试样相对水平面的倾斜角度θ及影响介质粘度的环境温度等等，改变任一项参数都可能导致流体流速和流态发生变化，影响冲刷效果。为了利用试验装置进行高温冲刷腐蚀研究，考察和评价不同材料的抗高温冲蚀性能，在喷射装置结构设置时就对流体喷射参数范围进行考虑，使装置能够充分体现出冲刷腐蚀过程中因流体冲刷作用而造成的力学损伤以及其对腐蚀的促进作用。包括喷嘴直径d等试验参数均可以根据不同试验情况具体调整，如表1所示。

表一：喷射装置喷射试验参数范围

Claims

1、高温高流速环烷酸腐蚀试验装置，其特征是以具有内置预热器的储油罐(13)为中心，油路管道自储油罐(13)引出，依次经过出油过滤器(15)、管流循环泵(1)或喷射循环泵(2)、外部加热系统、管流试验装置(12)或喷射试验装置(9)之后返回储油罐(13)构成封闭的试验循环回路；在所述外部加热系统的油液出口处设置回油支路(VI)，通过回油支路(VI)与所述储油罐(13)和外部加热系统构成封闭的回油循环回路。

2、根据权利要求1所述的高温高流速环烷酸腐蚀试验装置，其特征是所述外部加热系统具有多个加热单元，其中有一个辅助加热单元设置为具有内套管的套管式换热器(4)，所述回油支路(VI)通过套管式换热器(4)的内套管接回接至储油罐(13)。

3、根据权利要求1所述的高温高流速环烷酸腐蚀试验装置，其特征是所述外部加热系统设置为三个加热单元，其中，处在加热系统油液入口处的是具有三组加热器的第一加热单元(3)，处在加热系统的油液出口处的是具有两组加热器的第二加热单元(5)，所述套管式换热器(4)作为辅助加热单元设置在第一加热单元(3)和第二加热单元(5)之间。

4、根据权利要求1所述的高温高流速环烷酸腐蚀试验装置，其特征是所述管流试验装置(12)上同时设置多个监测口(12a)，包括腐蚀速度测试仪端口、腐蚀监测探针端口、金属测试挂片端口以及其它电化学测试仪器端口。

5、根据权利要求1所述的高温高流速环烷酸腐蚀试验装置，其特征是所述喷射试验装置(9)设置有圆锥收缩型喷嘴(9a)，用于放置圆盘状试样(19)的试样托盘(9b)对应设置在喷嘴(9a)的下方。

6、权利要求1所述高温高流速环烷酸腐蚀试验装置的试验方法，其特征是按如下步骤进行：

a、油液在储油罐中预热达到50℃；

7、根据权利要求6所述高温高流速环烷酸腐蚀试验装置的试验方法，其特征是设置储油罐中油液温度自50℃温升到400℃的时间为4小时。

8、根据权利要求6所述高温高流速环烷酸腐蚀试验装置的试验方法，其特征是在所述封闭的试验循环回路中充入有N2惰性气体，气体压力≤1MPa。