Коррозионные сбои в газовых скрубберах

Понимание сбоев коррозии газового кустарника

Скрубберы с дымовым газом являются критически важными системами контроля загрязнения на электростанциях, цементных печи и химических перерабатывающих предприятиях. Они удаляют диоксид серы (SO2), хлорид водорода (HCl) и другие кислые загрязнители из выхлопных потоков с использованием жидкого сорбента, чаще всего известняка или известняка. Хотя эти системы необходимы для соблюдения экологических норм, они работают в чрезвычайно агрессивных химических и термических условиях, что делает коррозионные отказы постоянной и дорогостоящей проблемой. Понимание механизмов, лежащих в основе этих отказов, и реализация надежных стратегий предотвращения имеет важное значение для поддержания надежности скруббера и предотвращения незапланированных простоев.

Коррозия в скрубберах дымовых газов — это не одно явление, а сложное взаимодействие химических реакций, физического износа и материальных ограничений. Последствия варьируются от постепенного истончения структурных компонентов до внезапных катастрофических отказов, которые выделяют опасные газы. В этой статье содержится всестороннее исследование механизмов коррозии, истории отказов, стратегий отбора материалов и передовой практики для проверки и смягчения последствий.

Эксплуатационная среда скрубберов дымовых газов

Чтобы понять, почему возникает коррозия, необходимо сначала оценить окружающую среду внутри скрубберного сосуда. Входящий дымовой газ от процессов горения обычно горячий (150°C-200°C) и содержит оксиды серы, хлорид водорода, фторид водорода, оксиды азота и твердые частицы. Когда этот газ контактирует с циркулирующей суспензией, которая может быть слегка щелочной (pH 5-6) для оптимизированного поглощения SO2, происходит ряд химических реакций.

Интерьер скруббера подвержен быстро меняющимся условиям:

Эти условия требуют тщательного отбора строительных материалов и защитных систем, поскольку даже небольшие недосмотры могут привести к быстрой деградации.

Основные механизмы коррозии в газовых скрубберах

Единообразная коррозия

Унифицированная коррозия характеризуется относительно равномерной потерей материала по поверхности. В скрубберах это происходит, когда вся смоченная поверхность подвергается воздействию кислой среды. Углеродная сталь, которая иногда используется в скрубберных впускных каналах или опорных структурах, может разъедать со скоростью, превышающей 1-2 мм в год, если ее не защищать. Реакция проста: серная кислота (формированная, когда SO2 растворяется и окисляется) атакует железо, производя растворимый сульфат черной серы и газообразный водород. Унифицированная коррозия предсказуема и может управляться путем добавления коррозионного допуска или нанесения покрытий, но она все еще требует тщательного мониторинга.

Коррозия в горле

Питтинг — это локализованная атака, производящая небольшие полости или ямы на поверхности металла. Особенно опасен он тем, что степень проникновения может быть тяжелой, при этом поверхность выглядит лишь слегка поврежденной. Питтинг возникает, когда в локализованной области ломается защитная пассивная пленка на нержавеющей стали или других сплавах, часто инициируемая ионами хлоридов. В скрубберах основным виновником могут быть хлориды. Например, на электростанции, использующей морскую воду для очистки, могут наблюдаться уровни хлоридов свыше 20 000 ppm в циркулирующей воде.

В этих условиях обычные аустенитные нержавеющие стали, такие как 304L и 316L, подвержены питтингу. Яма размножается автокаталитически: внутри ямы раствор становится более кислым и концентрируется в хлоридах, ускоряя дальнейшую атаку, приводя к перфорации стенок сосудов.

Кревицкая коррозия

Кревицкая коррозия возникает в зазорах и экранированных участках, куда не может попасть объемная среда, например, под прокладки, фланцы, отложения или сварные подрезы. В скрубберах на уступах и горизонтальных поверхностях могут оседать золо- и гипсовая шкала, создавая застойную зону под отложением. Образующаяся дифференциальная аэрационная ячейка приводит к подкислению и концентрации хлорида в расщелине. Кревицкая коррозия коварна, поскольку может прогрессировать незамеченной до тех пор, пока не будет нарушена структурная целостность. Особое внимание необходимо уделить всем фланцевым соединениям, портам приборов и проемам мануфактуры.

Коррозионное стрекозывание (SCC)

Коррозионное растрескивание под воздействием стресса сочетает в себе растягивающее напряжение и коррозионную среду для получения хрупких трещин в обычно пластичных материалах. В скрубберах дымовых газов наиболее распространены две формы SCC:

Сбои SCC часто бывают внезапными и катастрофическими.Одна трещина может распространяться через стенку сосуда, вызывая утечку или разрыв без предварительного предупреждения.

Эрозия-коррозия

Эрозия-коррозия — ускорение коррозии за счёт механического удаления защитных оксидных пленок абразивными частицами.В скрубберах суспензия содержит взвешенные твердые вещества, которые на высоких скоростях врезаются в поверхности, в частности в локти, распылительные сопла и корпуса насосов.Сочетание химической атаки и механического износа может увеличить скорость потери материала на порядок по сравнению с одной лишь коррозией. В таких областях часто используются высокохромовые белые утюги и керамические компоненты.

Материалы для строительства для коррозионной устойчивости

Выбор правильного материала для каждого компонента является первой линией защиты. Следующие материалы обычно используются в скрубберах дымовых газов, каждый со специфическими прочностями и ограничениями.

Нержавеющие стали

Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304L и 316L, широко используются, но имеют ограниченное сопротивление хлоридам. 316L содержит молибден, который улучшает сопротивление питтингу, но в средах с высоким содержанием хлоридов (выше около 2000 ppm Cl-), он все еще может быть недостаточным. Дуплексные нержавеющие стали, такие как 2205 и 2507, предлагают более высокую прочность и лучшее сопротивление питтингу (измеряется эквивалентным числом питтинга, PREN). Например, 2507 (PREN > 42) могут переносить хлориды до 30 000-40 000 ppm в типичных условиях скруббера. Супер аустенитные нержавеющие стали, такие как 904L и 6% сплавов Mo, используются в самых агрессивных зонах.

Никелевые сплавы

Для экстремальных условий хлорида и низкого pH часто указываются сплавы на основе никеля, такие как C-276 (UNS N10276) и сплав 625 (N06625). Эти сплавы обеспечивают отличную устойчивость как к прокалыванию, так и к коррозионному растрескиванию под напряжением. Однако их высокая стоимость ограничивает их использование для критических компонентов, таких как зоны закалки входных отверстий, распылительные сопла и трубопроводы малого диаметра.

Реактивные металлы (титан и цирконий)

Титан обладает выдающейся коррозионной стойкостью в хлоридных средах, но может быть подвержен расщелине коррозии при высоких температурах (выше 70 ° C) и низком рН. Цирконий обеспечивает еще лучшую стойкость, но является дорогостоящим. Эти металлы используются выборочно в самых сложных местах.

Неметаллические материалы

Клетчато-армированный пластик (FRP), поливинилхлорид (PVC) и полипропилен иногда используются для воздуховодов, стеков и трубопроводов в низкотемпературных секциях. Эти материалы невосприимчивы к гальванической коррозии, но могут ухудшаться от воздействия ультрафиолета, температурных ограничений (обычно ниже 90 ° C для ПВХ) и механического воздействия. Также применяются резиновые накладки и конструкции с двойным ламинатом (пластическая накладка внутри стекловолоконной оболочки).

Защитные покрытия и накладки

Даже при тщательном выборе материала многие компоненты скруббера требуют дополнительной защиты. Покрытия и накладки обеспечивают барьер между коррозионной средой и структурной подложкой (часто из-за затрат углеродистой стали).

Тонкие пленочные покрытия

Эпоксидные, виниловые и полиуретановые покрытия высокой степени проходимости применяются при толщине 250-500 микрон. Они эффективны для умеренной эксплуатации, но уязвимы для механических повреждений и теплового цикла. Необходима надлежащая подготовка поверхности (абразивная взрывная обработка белого металла) и квалифицированное применение, поскольку любой дефект пинхола станет местом для коррозии под пленкой.

Толстые линзы

Тяжелые обшивки, такие как хлопчатобумажный стеклоукрепленный виниловый эфир (толщиной 2-4 мм) или керамический эпоксидный, обеспечивают большую долговечность. Стеклоукладчики хлопчатобумажного стекла ориентируются параллельно поверхности, создавая извилистый путь для пропитки. Эти обшивки широко используются в сосудах-поглотителях скруббера, резервуарах и воздуховоде. Однако при повреждении они требуют ремонта, а потеря адгезии может произойти, если подложка не является идеально чистой.

Резиновые линзы

Хлоробутиловая резина или натуральная резиновая накладка толщиной 3-6 мм часто наносятся на сосуды из углеродистой стали. Они обладают высокой устойчивостью к минеральным кислотам и хлоридной атаке, но не могут выдерживать температуру выше около 90 °C без деградации. Они также требуют тщательного обращения, чтобы избежать механического проникновения.

Рефрактерные и кислотостойкие кирпичи

В зоне закалки входного отверстия, куда поступает горячий газ, температуры могут быть слишком высокими для органических облицовок. Используются кислотостойкие кирпичные облицовки, установленные силикатом калия или растворами фурановой смолы. Эти системы обеспечивают как теплоизоляцию, так и химическую стойкость.

Примеры неудач с коррозией скруббера

Случай 1: Питтинг и перфорация 316L абсорбирующей оболочки

Угольная электростанция с использованием известняково-гипсового мокрого скруббера в течение трех лет после запуска испытывала частые утечки в абсорберном сосуде. Судно было изготовлено из нержавеющей стали типа 316L (UNS S31603). Анализ показал, что уровни хлорида в суспензии достигли 35 000 ppm из-за использования рециркулированного потока сточных вод. Коррозия питтинга произошла в нескольких местах, причем некоторые ямы проникали в всю толщину стенки 8 мм. Яма была сосредоточена в верхних зонах распыления, где жидкая пленка была тонкой, и произошла концентрация хлорида.

Рекультивация требовала обширного наложения сварного сплава с помощью сплава 625 и изменения на воду с более низким содержанием хлорида. Узнайте больше о механизмах коррозии питтинга .

Случай 2: Коррозионное стрекозывание стресса во входном участке

На химическом заводе с использованием скруббера для удаления HCl и SO2 из процесса хлорирования, впускной канал, построенный из нержавеющей стали 304L, развил продольные трещины всего через 18 месяцев. Проток работал при 120°C-150°C и подвергался воздействию конденсирующих кислотных газов. Был идентифицирован механизм хлоридной SCC с остаточными сварочными напряжениями, приводящими к распространению трещин. Проток был заменен секцией из дуплексной нержавеющей стали 2507, и было выполнено снятие напряжения после сварки. Дальнейшего растрескивания в течение следующих пяти лет не произошло.

Случай 3: Коррозия Кревица под гипсокартонными отложениями

Скруббер цементного завода страдал от сильного локализованного истончения горизонтальных балок внутри сосуда.Проверка показала, что гипсовая шкала накапливалась на верхних поверхностях балок, создавая застойную, кислую среду под отложениями. Материал балки составлял 316 л, а питтинговые скорости достигали 3 мм/год под шкалу. Решение заключалось в перепроектировании внутренней системы промывки воды для регулярной промывки горизонтальных поверхностей в сочетании с периодической оффлайн-очисткой для удаления накопленных отложений. Кроме того, балки были модернизированы сплавной 625 полосовой облицовкой в пострадавших районах.

Методы инспекции и мониторинга

Раннее обнаружение коррозии имеет решающее значение для предотвращения сбоев. Комплексная программа проверки скрубберов должна включать:

Визуальная инспекция и тестирование на проникновение красителя (PT)

Регулярные внутренние осмотры, как правило, во время запланированных отключений, позволяют визуально идентифицировать коррозию, растрескивание и повреждение покрытия.Испытание на проникновение красителя используется для обнаружения дефектов разрушения поверхности в непористых материалах.

Ультразвуковая толщина (UT) измерения

UT является основным инструментом для количественной оценки потерь стенок от равномерной коррозии и прокалывания. На корпус судна и критические трубопроводы с течением времени берется сетка показаний толщины, позволяющая рассчитать скорость коррозии. Передовые методы С-сканирования обеспечивают карту оставшейся толщины.

Радиографическое тестирование (RT)

RT используется для проверки сварных швов и обнаружения внутренних точечных или ламинированных соединений. Цифровая рентгенография обеспечивает более быстрые результаты и более простое архивирование.

Мониторинг акустических выбросов (AE)

AE — это метод в реальном времени, который обнаруживает волны напряжения, генерируемые активным растрескиванием или разбиением покрытия. Его можно использовать во время гидротестирования или даже во время работы для выявления областей продолжающегося повреждения. AE особенно полезен для обнаружения SCC до того, как он вызовет утечку.

Зонды коррозионного риска и онлайн-мониторинг

Пробки электрического сопротивления (ER) и зонды линейного поляризационного сопротивления (LPR) могут быть установлены в контурах циркуляции скруббера для измерения мгновенных скоростей коррозии. В сочетании с датчиками pH, хлорида и температуры они обеспечивают непрерывные данные, которые могут использоваться для оптимизации химического дозирования или обнаружения нарушенных условий.

Превентивные и митигационные стратегии

Контроль процесса

Поддержание оптимального pH в суспензии абсорбера является наиболее эффективным способом снижения коррозии. pH ниже 4,5 резко повышает скорость коррозии для большинства материалов. Большинство скрубберов работают между pH 5,0 и 6,0 для максимальной эффективности удаления SO2, но экскурсии к более низкому pH происходят во время изменений нагрузки или прерываний подачи известняка. Надежные датчики pH и надежные петли управления необходимы. Концентрация хлорида должна контролироваться с помощью рабочих кровотоков (чистка суспензии из системы) или с использованием воды с низким содержанием хлорида. Уровни хлорида выше 20 000 ppm должны вызывать обзор выбора материалов.

Химические ингибиторы

Ингибиторы коррозии могут быть добавлены к суспензии для образования защитной пленки на металлических поверхностях. Иногда используются ингибиторы на основе молибдата и нитритов, но они могут быстро потребляться в среде с высоким содержанием твердых веществ и могут мешать химии очистки. Также изучались органофосфаты и азолы. Применение ингибиторов требует тщательной оценки, чтобы избежать неблагоприятного воздействия на качество гипса или обработку отходов.

Совершенствование дизайна

Внимание к деталям конструкции может значительно продлить срок службы. Например:

Оперативные лучшие практики

Такие процедуры, как послезагрузочное полоскание пресной водой для удаления кислотных остатков, поддержание надлежащей концентрации твердых суспензий для снижения эрозии и избежание чрезмерных температурных градиентов во время запуска и остановки, способствуют контролю коррозии.

Заключение

Коррозионные сбои в скрубберах дымовых газов остаются серьезной проблемой в отраслях, которые полагаются на эти системы контроля загрязнения. Агрессивная химическая среда, характеризующаяся низким pH, высокими концентрациями хлоридов, повышенными температурами и эрозионными твердыми веществами, требует многогранного подхода к выбору материалов, защитным системам, контролю процессов и инспекции. Понимание конкретных механизмов коррозии, действующих в каждой зоне скруббера, имеет важное значение для разработки эффективных стратегий смягчения последствий.

Хотя стоимость внедрения коррозионностойких сплавов и высокопроизводительных накладок может быть существенной, она почти всегда ниже, чем стоимость незапланированных отключений, аварийного ремонта и нормативных штрафов. Упреждающий подход, который сочетает в себе правильный выбор материала с строгими программами мониторинга и обслуживания, максимизирует срок службы систем очистки, гарантируя, что они продолжают надежно и безопасно выполнять экологические задачи.

Для дальнейшего чтения см. Руководство NACE International по коррозии в мокрых скрубберах и EPA техническое руководство по материалам для десульфурации дымовых газов .