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硫酸装置关键设备腐蚀机制与防护对策

作　者: 朱晓航
导　师: 李宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 硫酸装置入料口热管换热器腐蚀机制电偶腐蚀防腐对策
分类号: TG172.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

硫磺和硫化氢联合制备硫酸装置是巴陵石化己内酰胺生产中重要设备。硫酸装置平稳、安全的运行状态不仅能保障工厂生产计划顺利完成,同时也是公司经济效益最大化的必要保证。本文从现场出发,调查硫酸装置的设计资料以及设备服役条件,勘察腐蚀设备形貌以及采集腐蚀设备腐蚀样品。采用XRD、EDS、SEM以及化学分析等方法对现场采集腐蚀产品进行分析,借助热力学软件Factsage的计算结果,结合国内外硫酸设备腐蚀与防护的最新研究进展,对设备腐蚀原因与腐蚀机制进行全面分析。硫酸制备装置发生腐蚀设备有:物料入口设备以及各级换热器等,其中以E304热管省煤器腐蚀情况最为严重。物料入口设备下料口产生腐蚀主要原因有:沉降设备表面硫磺粉尘,水蒸气结露,设备未涂覆保护涂层以及具有腐蚀性工业大气。通过软件模拟研究,结合模拟实验结果,确定其主要为大气腐蚀,导致设备氧化腐蚀。E301高温换热器膨胀节遭受的是,未燃尽硫磺蒸汽与膨胀节发生硫化腐蚀后,设备表面硫化物连同停工过程中产生的冷凝酸共同造成的连多硫酸应力腐蚀;E303中温换热器主要遭受服役环境中烟气的化学腐蚀以及未燃尽硫磺硫腐蚀;E304则因设备服役温度低于烟气露点,导致造成硫酸露点腐蚀。导致换热器腐蚀根本原因是工艺控制不良造成的,同时设备的选材以及构造等方面也给设备腐蚀埋下隐患。模拟实验对硫酸装置采用设备用钢:Q235、20#钢、316L、16MnR以及ND钢进行了电化学测试、浸泡腐蚀实验、电偶腐蚀实验、大气腐蚀实验等方法,得到了各种钢材在硫酸中耐蚀性数据,通过浸泡实验以及电化学测试,发现当硫酸浓度低于60mass%时,金属腐蚀速度随温度、浓度增大而增大。合金钢316L以及ND钢耐蚀性优于普通低碳钢Q235以及20#钢。实验发现,316L在20℃硫酸中具有优异耐蚀性;合金钢ND钢在60℃硫酸中耐蚀性较316L好;Q235在各类测试中其耐蚀性均优于20#钢。本文首次对ND钢与20#钢、316L与Q235接触产生的电偶腐蚀实验进行研究,此项研究在国内外仍未见报道。实验发现电偶腐蚀不仅会使得ND钢与316L耐蚀性降低,同时也会造成Q235与20#钢腐蚀加剧。实验表明,电偶腐蚀必然加速至少一种钢材腐蚀速率。实验进一步研究了材料在硫酸装置服役环境中腐蚀机理,同时为设备建造提供了选材依据。针对硫酸设备腐蚀关键因素,提出切实可行的防腐对策与建议。对未发生腐蚀设备依据现场环境、软件计算以及文献报道等进行腐蚀预测,并提出了相关防腐措施。最后本文展望了相应防腐措施,以及有关研究方向。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-27
  1.1 硫酸生产现状以及发展趋势  11-15
    1.1.1 硫酸生产现状  11-12
    1.1.2 硫酸需求现状  12
    1.1.3 硫酸生产工艺  12-15
    1.1.4 硫酸工业技术发展趋势  15
  1.2 硫磺和硫化氢联合制备硫酸工艺简介  15-16
    1.2.1 燃烧反应  15
    1.2.2 转化反应  15-16
    1.2.3 吸收反应  16
  1.3 硫磺和硫化氢联合制备硫酸制造流程以及腐蚀严重设备  16-19
    1.3.1 熔硫工艺流程  16
    1.3.2 焚烧工艺流程  16-17
    1.3.3 转化工艺流程  17
    1.3.4 干吸工艺流程  17-18
    1.3.5 余热工艺流程  18-19
    1.3.6 给水系统  19
    1.3.7 腐蚀严重设备  19
  1.4 硫酸生产设备腐蚀类型  19-24
    1.4.1 大气腐蚀  19-20
    1.4.2 水腐蚀  20
    1.4.3 湍流腐蚀  20-21
    1.4.4 高温硫腐蚀  21-23
    1.4.5 硫酸露点腐蚀  23
    1.4.6 连多硫酸引起应力腐蚀  23-24
  1.5 国内外硫酸设备腐蚀与防护研究现状  24-25
    1.5.1 耐硫酸腐蚀材料研究简介  24
    1.5.2 国内硫酸换热设备腐蚀与防护现状  24-25
  1.6 本课题研究内容、目的与意义  25-27
第2章实验材料与实验方法  27-33
  2.1 实验材料及设备  27-28
    2.1.1 化学药品及实验材料  27
    2.1.2 实验仪器  27-28
  2.2 腐蚀成分分析  28-29
    2.2.1 SEM&EDS 分析  28
    2.2.2 XRD 谱图  28
    2.2.3 硫磺残余量分析  28-29
    2.2.4 不溶性灰分提取实验  29
    2.2.5 化学分析  29
  2.3 热力学软件Factsage 预测腐蚀类型  29
  2.4 电化学测量方法  29-30
    2.4.1 电极电位测量法  29-30
    2.4.2 塔菲尔(Tafel)曲线测试  30
    2.4.3 阳极极化曲线测量  30
  2.5 实验室模拟腐蚀方法  30-31
    2.5.1 浸泡实验  30-31
    2.5.2 实验室模拟大气腐蚀法  31
    2.5.3 硫化腐蚀  31
    2.5.4 蒸汽氧化法  31
  2.6 腐蚀评定方法  31-33
    2.6.1 质量法  31
    2.6.2 气体容量法  31-32
    2.6.3 表观检查  32-33
第3章物料入口设备腐蚀分析及腐蚀机制研究  33-44
  3.1 熔硫槽腐蚀概况  33-35
    3.1.1 设备现场资料  33-34
    3.1.2 腐蚀产物分析  34-35
  3.2 腐蚀类型分析  35-37
  3.3 模拟实验  37-39
    3.3.1 硫磺酸性测试  37-38
    3.3.2 熔硫槽下料口模拟实验结合  38-39
    3.3.3 硫化腐蚀  39
  3.4 腐蚀机制研究与原因分析  39-43
    3.4.1 大气腐蚀  39-41
    3.4.2 硫腐蚀  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章换热设备腐蚀分析及腐蚀机制研究  44-73
  4.1 E301 高温换热器出口膨胀节腐蚀概况  44-46
    4.1.1 设备概况  44-45
    4.1.2 腐蚀产物分析  45-46
  4.2 E303 中温换热器腐蚀概况  46-48
    4.2.1 设备概况  46-47
    4.2.2 腐蚀产物分析  47-48
  4.3 E304 热管换热器腐蚀概况  48-53
    4.3.1 设备概况  48-50
    4.3.2 旧E304 腐蚀产物分析  50-51
    4.3.3 新E304 腐蚀产物分析  51-53
  4.4 腐蚀预测  53-55
    4.4.1 烟气化学腐蚀  53-54
    4.4.2 硫化腐蚀  54-55
    4.4.3 硫酸腐蚀  55
  4.5 模拟实验  55-70
    4.5.1 低碳钢Q235、20#钢在硫酸中腐蚀行为研究  56-59
    4.5.2 低合金钢16MnR 在硫酸中腐蚀行为研究  59-60
    4.5.3 合金钢316L、ND 钢在硫酸中腐蚀行为研究  60-65
    4.5.4 电偶腐蚀研究  65-66
    4.5.5 停车下腐蚀  66-70
  4.6 腐蚀机制研究  70-72
    4.6.1 E301 出口膨胀节腐蚀机制  70-71
    4.6.2 E303 腐蚀机制研究  71
    4.6.3 E304 腐蚀机制研究  71-72
  4.7 本章小结  72-73
第5章防腐建议、预测及展望  73-78
  5.1 防腐建议  73-75
  5.2 腐蚀预测与实验展望  75-77
    5.2.1 腐蚀预测  75-77
    5.2.2 试验展望  77
  5.3 本章小结  77-78
结论  78-79
参考文献  79-83
附录1 研究流程图  83-84
附录2 设备流程图  84-85
附录3 V101 快速熔硫槽设备调查资料  85-86
附录4 E301 膨胀节设备调研资料  86-87
附录5 E303 中温换热器调查资料  87-88
附录6 E304 热管省煤器调查资料  88-89
攻读学位期间发表的学术论文  89-91
致谢  91

硫酸装置关键设备腐蚀机制与防护对策

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