煤化工气化装置锁斗系统腐蚀与防护

引言：锁斗循环水中存在大量的固体颗粒，以及多种腐蚀性介质，对设备以及管道会造成冲刷 + 腐蚀双重影响。据统计，国内某大型煤化工项目锁斗阀门的平均使用寿命不足设计周期的 60% ，非计划停机中约 35% 与锁斗系统腐蚀泄漏相关。因此，对该系统的腐蚀情况进行分析并且提出相应的防护措施是化工企业需要重点思考的问题。

一、煤化工气化装置锁斗系统

煤化工气化装置里的锁斗系统是高压气化工艺里的关键设备，有着压力调节以及固体物料传输这两项功能，运行的时候，锁斗要经常在高压和低压工况间切换，依靠循环水介质达成灰渣或者未反应煤粉的密闭转移，然而锁斗的循环水环境十分苛刻，一方面，水中悬浮的灰渣颗粒在高速流动时会对管道弯头、阀门密封面等地方造成机械冲刷磨损，在流速突变区域容易形成局部涡流，加快材料流失，另一方面，循环水中溶解的腐蚀性介质会和金属表面发生电化学反应，引发点蚀、应力腐蚀开裂等问题。而且冲刷作用会破坏金属表面钝化膜，露出新鲜活性基体，和腐蚀介质共同作用形成冲刷—腐蚀的耦合损伤，极大地降低设备寿命[1]。

二、煤化工气化装置锁斗系统存在的腐蚀问题

（一）冲刷

在装置运行阶段，锁斗循环泵出口变径段频繁出现泄漏情况，这一问题已然成为影响系统稳定性的关键妨碍因素，该部位最初的设计选用了20#碳钢材质，然而由于黑水介质有较高的腐蚀性以及固体颗粒冲刷作用，平均每隔 90～180 天就需要进行更换，尽管曾经尝试将材质升级为不锈钢，期望借此延长使用寿命，但是实际运行所获取的数据说明，即便材质提升之后，依旧会在 270 天过后出现腐蚀减薄并导致泄漏现象。鉴于不锈钢材料成本高昂，并且实际效果未达到预期，最终不得不回归经济性更佳的 20#碳钢方案。

经过深入分析可以发现，锁斗泄压线出现异常磨损的情况与工艺操作特性有着直接关联，泄压阀瞬间开启的时候，会致使携带固体颗粒的黑水形成高速射流，对下游管线造成剧烈冲刷。循环系统弯头部位因为流体方向发生改变而产生离心力作用，使得悬浮物浓度达到 54mg/L 的含固介质持续不断地冲击管壁，加速了局部腐蚀减薄的进程。

焊接质量存在缺陷是导致泄漏频繁发生的另外一个关键原因，现场检查结果显示，泄漏点大多集中在存在错边、焊瘤的焊接接头处，工艺分析指出，氩弧焊打底焊道过浅会使得电弧焊填充的时候熔池失去控制，形成内部余高和焊肉凸起。这些几何形状发生突变的地方在高压、高流速的工况之下会诱发局部湍流，使得携带尖锐固体颗粒的黑水对管壁产生微射流冲击，造成典型的冲刷腐蚀复合损伤，在焊道过渡区，残余应力和组织劣化的叠加效应降低了材料的抗腐蚀性能[2]。

（二） CO₂ 腐蚀

在锁斗循环系统运行期间，黑水介质的温度保持在 70^∘C ，压力达到6.48MPa ，因为温度没有达到二氧化碳气体从水中大量析出的临界点，高压环境使得二氧化碳充分溶解在急冷室的水中，当黑水进入锁斗后，随着温度下降，溶解的二氧化碳和水反应生成碳酸，引发典型的二氧化碳腐蚀。高压工况下溶解氧的存在会和二氧化碳形成协同腐蚀效应，加快碳钢材料的腐蚀速度，反应机理为：

Fe+H₂CO₃FeCO₃+H₂

4Fe+3O₂+6H₂O4Fe(OH)₃

针对管道内垢样展开的 X 射线衍射以及能谱分析说明，垢样的主要构成元素是碳、铁、氧，这证实了腐蚀产物主要是碳酸亚铁，借助现场观察可以看到，结垢层表面呈现白色，这与碳酸亚铁的典型特征相符，而内部夹杂的黑色颗粒经过检测确定为气化炉熔渣，这些固体颗粒在高速黑水的带动作用下，和碳酸亚铁垢层一起在管壁沉积，形成了粗糙的表面，使得湍流以及局部冲刷腐蚀的情况加剧。另外垢层下面的闭塞区域有可能因为氯离子或者硫化氢的局部富集而引发点蚀，这需要结合水质分析做验证[3]。

（三）酸性水腐蚀

在对锁斗循环水系统的样品展开分析时，检测到了氨氮的存在，不过却没办法明确其具体含量，气化反应产物里一般含有 NH₃ 以及 H₂S ，这些物质在呈弱碱性的水环境中有可能发生反应，生成硫氢化铵，在系统的紊流区域，流体的扰动使得反应物的混合加剧，使得硫氢化铵更易于形成。当水温低于 66^∘C 的时候，硫氢化铵的溶解度降低，析出结晶，附着在管道或者设备的表面，要是水中有溶解氧以及铁离子，会促使腐蚀产物沉积，并且与硫氢化铵结晶一起形成复合垢层，这种积垢会让传热效率下降，还可能堵塞管道，加重局部腐蚀，最终对系统的稳定运行产生影响。要定期监测水质参数，优化温度控制，并且添加缓蚀阻垢剂来抑制沉积。

二、煤化工气化装置锁斗系统腐蚀的防护措施

锁斗循环系统属于煤气化装置里的关键设备，它运行是否可靠会直接对整个气化装置的稳定性以及经济性造成影响，鉴于锁斗系统容易出现腐蚀磨损方面的问题，要从设计选材、结构优化以及工艺控制等多个方面着手采取综合防护举措，在管线系统设计这一块，首先要在锁斗循环泵出口弯头、锁斗管线弯头以及变径等关键地方安装在线监测系统。这些部位因为流体流向发生改变容易产生湍流以及冲击，实时监测可及时发现异常磨损情况，焊接工艺要采用氩弧焊打底技术，严格把控焊缝根部余高，挑选相同壁厚以及内径的管件来进行组对，把错边量控制在允许的范围之内，如此便能有效降低焊缝部位形成湍流的概率，在材料选择方面，建议采用陶瓷衬里或者硬质合金等耐磨材料，同时在结构设计上采用大曲率半径弯管，以此来减缓固体颗粒对管道的冲刷磨损。

针对锁斗泄压线的防护，建议安装限流孔板来控制泄压速度，锁斗内6.48MPa 的高压要是释放得过快，会带动固体颗粒高速冲刷泄压管线，使得管壁快速变薄甚至出现泄漏情况，借助限流孔板的节流作用，可平稳控制泄压过程，延长管线的使用期限，对于循环管线的材质选择，建议把原来的 20#钢更换为厚壁 304L 不锈钢，提高抗二氧化碳腐蚀的能力。不过要注意控制系统中的氯离子含量，适当增加灰水外排量，防止氯离子富集引发氯化物应力腐蚀开裂。

锁斗锥体作为最容易被腐蚀的关键部位，要采取三重防护措施：其一，采用 100mm 厚壁管设计，借助增加材料厚度来提高安全性，减少非计划停工现象，其二，在锥体内壁添加耐磨玻璃钢或者陶瓷衬里，提升耐磨性能，其三，在锥体部位焊接特殊凹槽结构，利用堆积的熔渣形成自然保护层，避免后续熔渣直接冲击锥体表面。

结语

总之，本文结合煤化工气化装置锁斗系统的腐蚀特点，提出相应的防护措施，旨在促进我国化工领域的高质量发展。

参考文献：

[1]程鸿博,申家君,夏健楠,等.煤化工装置长周期运行管理措施研究[J].氮肥技术,2025,46(02):44-47.

[2]左志强,路畅,李俊权.煤化工气化装置锁斗系统腐蚀与防护[J].化工设计通讯,2024,50(12):46-48.

[3]李伟,邢佰淼.新型煤化工项目输煤系统煤制备工艺设计[J].硫磷设计与粉体工程,2024,(04):32-35+58.