兩套延遲焦化裝置的風險比較

朱晏萱，柏明清

(1.克拉瑪依職業技術學院機械工程系，新疆獨山子833600;2.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆獨山子833600)

某石化公司作為基于風險評估的設備檢驗技術(Risk Based Inspection，RBI)試點單位，已先后開展十余套裝置的風險評估工作。在歷次檢維修方案制定時，充分考慮了評估裝置設備的風險等級和檢驗策略，為裝置開展風險管理，預防或減少設備失效提供一個可靠的方法。該公司兩套延遲焦化裝置先后進行過RBI風險評估，為了更好的使用RBI技術，探討有效的設備安全管理方法，有必要對同類型裝置的風險情況進行對比，找出影響裝置風險水平差異的因素，為裝置設備管理提供參考。

1 延遲焦化裝置的基本情況

兩套裝置的設計加工量分別為600 kt/a和1.2 Mt/a，原料為減壓渣油，1.2 Mt/a延遲焦化裝置由于加工量提高了一倍，其設備、管道數量也增加了數倍，兩套裝置的基本情況見表1。

表1 兩套裝置情況對比Table 1 Comparing between two units

2 風險對比情況

2.1 裝置風險情況對比

對兩套裝置所有系統內的壓力容器、壓力管道進行風險統計，統計結果見圖1。由圖1可以看出，600 kt/a延遲焦化裝置的設備分布在四個風險等級中，中風險等級的壓力容器所占數目最多，而1.2 Mt/a延遲焦化裝置的設備僅分布在低風險、中風險和中高風險等級中，無高風險設備。為便于橫向比較兩套裝置的風險分布情況，專門制作設備分布比例圖(見圖2)。由圖2可以看出，1.2 Mt/a延遲焦化裝置設備的風險比重主要集中在中風險和低風險等級中，而600 kt/a延遲焦化裝置設備的風險比重在中風險、中高風險及高風險等級上均要高于1.2 Mt/a延遲焦化裝置。

圖1 設備風險數量對比Fig.1 Comparing for risk number of equipment

圖2 設備分布比例對比Fig.2 Comparing for distributing of equipment

2.2 主要設備風險對比

將兩套裝置中的重要設備焦炭塔、分餾塔、穩定塔/吸收塔及汽提塔等的風險等級進行對比，結果見表2。由表2可以看出，600 kt/a延遲焦化裝置的主要設備風險等級顯著高于1.2 Mt/a延遲焦化裝置，焦炭塔及分餾塔的風險等級差異較大。

表2 主要設備風險情況Table 2 Risk for important equipment

2.3 主要損傷機理對比

RBI軟件對兩套裝置的損傷機理計算表明，主導兩套裝置設備發生失效的主要潛在損傷機理有高溫硫/環烷酸腐蝕、硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)、酸性水腐蝕、氫致開裂(HIC)、定向應力氫誘導開裂(SOHIC)等，經統計，發現兩套裝置設備發生以上損傷的比例差別不大，但在高溫硫/環烷酸腐蝕和HIC/SOHIC比重上存在5%左右的差異，統計結果見表3。

表3 主要損傷機理分布情況Table 3 Distributing for main damage mechanism

在焦炭塔工段，設備的主要潛在損傷機理是高溫硫/環烷酸腐蝕，當焦炭塔內表面被結焦層覆蓋后，發生這種失效的可能性降低，實際使用中發現，對于老裝置的焦炭塔，內外表面裂紋和金相組織的變化需要關注;同時須定期測量設備的變形量。分餾塔工段中分餾塔底主要的損傷機理為高溫硫/環烷酸腐蝕，頂部為酸性水腐蝕及 HIC/SOHIC，一般質量分數為12%Cr系列鋼均有較好的耐蝕性能［1］，使用及檢維修過程中，需重點關注分餾塔的接管、法蘭等部件。

3 風險差異分析及風險管理建議

3.1 原料分析

兩套裝置的原料組成主要為減壓渣油，減壓渣油中的硫、氮、環烷酸等是裝置中的主要腐蝕介質，兩套裝置減壓渣油中的上述腐蝕介質含量變化不大，所以對相同材料而言，介質中腐蝕流差異引起的腐蝕失效可能性的變化不大。

3.2 資料完整情況分析

600 kt/a延遲焦化裝置的投用時間較早，由于各種原因，在進行RBI風險評估時搜集的有效數據資料僅占所有設備的60%，加熱爐、焦炭塔、分餾塔等主要設備資料比較齊全，管線類資料丟失較嚴重，且裝置存在材料代用情況較多，對于資料不全的設備，材料一般按保守選擇，造成該裝置的整體風險水平較高。1.2 Mt/a延遲焦化裝置是近幾年剛投用的新裝置，設備基礎資料齊全，且隨著設計、制造、安裝水平的提高，裝置的整體風險水平較600 kt/a延遲焦化裝置要低。

3.3 材料因素分析

選取兩套裝置的主要設備進行對比(見表4)，焦炭塔的設計標準選材一般為20g［2］，對于高硫原油裝置，設計選材標準［3］規定塔體上部為15CrMoR(碳鋼)+0Cr13(Al)，下部為15CrMoR(碳鋼)。從新裝置的選材看，焦炭塔頂部14Cr1MoR+0Cr13Al的材料能夠有效抵抗HCl+H2S+H2O型腐蝕和高溫硫/環烷酸腐蝕，設備的失效可能性降低，且14Cr1MoR因為Cr和Mo的添加使材料的高溫持久性和抗蠕變性能得到提高［4］，老裝置中筒體部分使用 20g材質，20g在400℃以上使用時，即可產生蠕變［5］，所以老裝置焦炭塔處于蠕變損傷環境下。同時在老裝置的使用中發現，雖然焦炭塔設備選材部分有20g，但由于設備內表面被結焦層覆蓋，發生高溫硫/環烷酸失效的可能性并不高，只是發生了因溫差應力導致的表面裂紋較多，也發生了長時間運行造成塔體本身的蠕變變形。在SH/T3096-2001設計導則中，分餾塔的標準設計選材為碳鋼+0Cr13(Al)，新裝置中分餾塔襯里層0Cr13Al除了能有效抵抗高溫硫/環烷酸腐蝕及酸性水腐蝕，還有較好的抗SCC能力，1Cr18Ni9Ti和0Cr13(Al)的抗高溫硫/環烷酸腐蝕能力基本相同，使用20R+0Cr13Al在選材上更經濟，只是增加了襯里層剝離的風險。吸收塔由于材質相同，評價出的失效可能性及風險等級也相同，汽提塔則由于新裝置選擇碳鋼+0Cr13，能夠有效抵抗高溫硫/環烷酸腐蝕，失效可能性降低，風險等級由同類型老裝置的中高風險降為低風險。

從新舊兩套裝置主要設備的材料對比可以看出，由于新裝置設備材料的升級，設備抵抗介質腐蝕、開裂能力的提高，設備風險也降低到較低的水平。

表4 主要設備基本情況Table 4 Information for main equipment

3.4 檢驗情況分析

600 kt/a延遲焦化裝置投用時間較早，已先后進行多次停工檢驗，在最近幾次檢驗中，先后發現內、外表面裂紋多處，塔體均呈現不同程度的鼓凸變形，且金相組織中出現輕度或中度的珠光體球化現象，分餾塔曾因塔體接管材質問題引起非計劃停工，而在管線檢驗中也發現多起因材料代用導致的腐蝕減薄情況。1.2 Mt/a延遲焦化裝置在第一次檢修中未發現主要設備的腐蝕、減薄、開裂等失效問題，且該裝置運行使用過程較平穩。從運行過程和檢驗的結果來看，新舊兩套裝置的風險水平能夠反映裝置的實際安全狀況。RBI評估的可靠性依賴于設備管道基礎資料的完整性，老裝置因為選材的標準問題、安裝改造過程的規范問題，導致設備風險水平較真實水平差異較大。

3.5 風險管理

3.5.1 高溫硫腐蝕

高溫硫腐蝕一般發生在240～500℃，主要是硫及硫的化合物對金屬材料造成的化學腐蝕，加熱爐管、焦炭塔、分餾塔底部及其集油箱部位、相關設備及管線等均存在潛在的失效可能，從600 kt/a焦化裝置分餾塔接管失效的數據來看［6］，高溫硫腐蝕的腐蝕速率基本符合API581－2000的數據，應以18-8，Cr5Mo、碳鋼的優先順序選材。1.2 Mt/a焦化的主要容器、管線在此溫度下的選材基本以18-8和Cr5Mo為主，從風險評價結果看，風險都不高，運行過程中只需選擇代表性測厚點進行定期監測即可。600 kt/a焦化裝置多以碳鋼和CrMo鋼為主，一些高溫碳鋼管線腐蝕尤為嚴重，裝置如長周期運行須在停工時進行材質升級，對于不能升級的應重點進行定點壁厚監測，測厚部位選擇在盲管、高流速、引起變速的彎頭、大小頭、三通等區域以及易產生湍流渦流等部位。高溫硫環境下伴有環烷酸時，腐蝕會加劇，從600 kt/a焦化裝置的失效管線的外觀情況看，未見明顯的溝槽狀環烷酸腐蝕特征，但原料中酸值較大時，須擴大測厚檢測比例。

在600 kt/a焦化裝置中加熱爐管采用Cr5Mo襯Al效果較好，1.2 Mt/a焦化裝置爐管由于新投入使用不久，未見異常，加熱爐爐管在一些企業的實際應用中也發現煙氣露點腐蝕［7］，在停工檢修中需關注爐管外部腐蝕情況。

3.5.2 低溫部位腐蝕

在分餾塔頂部的塔壁及塔盤等部位主要以低溫濕硫化氫腐蝕為主，頂部及出口管線的腐蝕為HCl+H2S+H2O和酸性水腐蝕，對于321和碳鋼襯0Cr13Al材料而言，具有較好的耐低溫濕硫化氫腐蝕能力，所以分餾塔頂部在新舊兩套裝置上風險較低。HCl+H2S+H2O型腐蝕和酸性水腐蝕對碳鋼類材料影響較大，雖然分餾塔頂注入NH3，使得HCl+H2S的腐蝕減弱，但由于NH3的存在使分餾塔頂部及出口管線存在點蝕、坑蝕等局部腐蝕的可能性增加，故在使用過程中，應加大該位置定點測厚的比例。老裝置設備本體用材經過多年改造升級，設備本體風險呈下降趨勢，使用過程中應重點關注與設備本體相連接的接管、法蘭、儀表接口等部位。

低溫濕H2S腐蝕會帶來SCC和HIC/SOHIC，SCC主要發生在強度較高的材料上，降低硬度和消除殘余應力可以避免SCC的發生，HIC/SOHIC屬氫致開裂，與材料殘余應力水平無關，與材料中S含量有關，同時與氰化物關系密切，氰化物能夠促進H2S的腐蝕，所以在分餾塔頂設置采樣點，定期監測氰化物的含量顯得很必要。

3.5.3 焦炭塔的壽命

焦炭塔屬間歇性操作設備，由于溫差應力的作用易產生疲勞裂紋、塔體變形等問題，600 kt/a焦化裝置4臺焦炭塔經過近20余年的使用已產生明顯的塔體變形。雖然1.2 Mt/a焦化裝置采用了14Cr1MoR+0Cr13材料，較老裝置采用的20g+13CrMo44耐蝕性有很大的提高，但影響焦炭塔壽命主要是冷卻操作過程。快冷在提高物料處理量的同時對材料的損傷作用也很明顯，所以尋找工藝上合適的處理量從長遠來看，能夠增加焦炭塔的使用壽命，且減少因設備變形增加的檢驗成本和停工時間成本。

3.5.4 風險評估報告的使用

近幾年，全國各大石油石化企業均積極進行了RBI技術應用，RBI風險評估報告已經在檢驗單位、使用單位產生了明顯的應用效果，但就基層單位的應用情況看，遠未達到RBI在中國推廣之初預期的目的。使用單位的基層管理人員素質參差不齊，報告中的風險結論、腐蝕機理、檢驗策略等內容不知如何應用到實際的管理中，一些企業只進行一次風險評估后無后續的再評估過程，間接造成了資源浪費，所以使用單位應該積極與評估單位溝通使用效果，增加基層單位設備管理人員材料、腐蝕等方面的培訓工作，使設備管理人員能夠運用RBI成果有的放矢地進行日常維護管理，減少不必要的檢維修成本。

4 結論

(1)通過兩套焦化裝置的風險對比分析發現，1.2 Mt/a延遲焦化裝置無高風險設備，風險集中在低風險和中風險等級，中高風險設備所占比重較600 kt/a延遲焦化裝置低，且新裝置主要設備風險低于老裝置。

(2)設備材質是影響風險差異的關鍵因素，在工藝、原料變化不大的情況下，材質的合理選擇能夠顯著降低設備發生失效的可能性，從而降低設備風險。復合鋼板的廣泛使用不僅能夠有效降低失效發生的可能性，還能降低設備制造成本。影響兩套裝置的風險差異因素還包含資料完整性、管理情況、投用時間、檢驗有效性等，裝置的實際風險還包含設計的不合理問題、安裝制造時材料的不規范代用問題等，所以新裝置在設計、制造環節所產生的風險要低于老裝置。

(3)通過風險評估結果，可以針對關鍵設備、關鍵區域進行有效地監測，減少設備失效事故的發生。企業基層管理人員應積極開展風險管理工作，加大關于RBI評估方面的培訓工作，為RBI技術更好的應用打下基礎。

［1］ API581 －2000.American Prtroleum Institute，Risk-based Inspection Base Resource Document［S］.

［2］ 孫文立，趙俊芳.石油化工廠實用材料手冊［M］.北京:化學工業出版社，2003.478-479.

［3］ SH/T3096－2001，加工高硫原油重點裝置主要設備設計選材導則［S］.

［4］ 黃建中，左禹.材料的耐蝕性和腐蝕數據［M］.北京:化學工業出版社，2002:135-138.

［5］ 中國石化設備管理協會.石油化工裝置設備腐蝕與防護手冊［M］.北京:中國石化出版社，2001:122.

［6］ 柏明清.RBI技術在焦化裝置的應用問題探討［J］.壓力容器，2010，27(5):60-63.

［7］ 孫愛萍，馬永鵬，劉惠敏.焦化加熱爐硫腐蝕分析與防腐蝕措施［J］. 腐蝕與防護，2011，32(12):991-992.