淺談丙烷制氫裝置核心設備-產品分離塔的定期檢驗策略

張 楠，康麗霞

(天津渤?；ぜ瘓F化工設備檢驗檢測中心站，天津 300171)

天津渤海化工集團化工設備檢驗檢測中心站在接受檢驗委托后，積極主動與天津渤化石化有限公司聯系，多次深入現場與公司工藝、設備技術人員進行探討，首先了解裝置工藝流程、分離塔的特點及設備投入生產后的使用情況等方面，為進一步制定合理有效的檢驗方案提供技術上的支持。丙烷脫氫年產60萬t丙烯裝置是目前國內首套、世界單套生產規模最大的丙烯生產裝置。產品分離塔是丙烷制丙烯項目最核心的設備，也是當前該裝置中亞洲單體體積最大的塔器設備。該設備于2013年12月投入使用，由于產品分離塔是投入生產后的首次檢驗，經過一個周期的運行，在使用中可能產生的各種缺陷及在制造和安裝過程中存在的隱藏缺陷也逐漸暴露，有可能發生事故。為此必須進行定期檢驗，以便發現問題，進一步消除缺陷，恢復設備的各項性能，保證其安全運行。

1-吊柱，2-氣體出口，3-回流液入口，4-塔盤，5-殼體，6-進料入口，7-人孔-8-氣體入口，9-裙座，10-釜液出口，11-出入口，12-地腳螺栓，13-筋板，14-基礎環

圖1 產品分離塔示意圖

1 分離塔簡介

1.1 工藝流程

產品分離塔將進料分離成聚合級丙烯餾出產品和以丙烷為主的塔底產品。脫硫后脫乙烷塔塔底液體是1號分離塔的唯一進料，從第45層塔盤引入。1號分離塔包含135層塔盤，2號分離塔包含155層塔盤。此分離塔系統被設計用來生產99.6 mol%的丙烯產品。塔額操作壓力為2.09 MPa，用空冷器冷凝產品，另外還包括用冷卻水冷卻的補充冷凝器，用來在高環境溫度條件下的輔助冷凝。分離塔再沸器負荷由多個熱源來滿足。在冬季，環境溫度足夠低時，可允許產品分離塔在減低壓力1.68 MPa下操作 。產品分離塔塔底餾出物，經循環冷卻器回到反應單元。

1.2 介質特性

丙烷無色氣體，純品無臭。熔點：-187.6℃，沸點：-42.1℃，閃點：-104℃，長期接觸可引起頭昏、乏力、全身不適、思維不集中。

丙烯常溫下為無色有烴類氣味的氣體。熔點：-191.2℃，沸點-47.4℃，閃點-108℃，爆炸極限：2%～11%。易燃氣體，與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸。與氧化劑接觸能發生猛烈反應。

1.3 基本參數

見表1。

表1 基本參數

2 產品分離塔操作工況

2.1 硫含量的技術要求

2.1.1 進料硫含量要求

表2 進料硫含量要求

2.1.2 產品硫含量要求

表 3 產品硫含量要求

2.2 實際生產過程中分離塔檢測結果

表4 實際生產過程中分離塔檢測結果

通過對硫含量的分析，排除硫裂的可能。

3 產品分離塔失效模式分析

塔器的失效一般是由多種因素綜合作用而引起的，其中三個主要因素是設計不合理、操作不正確以及在關鍵部位存在缺陷 。塔器在制造和使用過程中，由于焊接工藝、壓力加工 、熱處理 、機械加工、應力水平、腐蝕和高溫環境等原因，將不可避免地產生各種缺陷，且隨著設備大型化和高強鋼的使用，產生缺陷的可能性隨之增加，造成的后果將更為嚴重。經過對產品分離塔的操作工況等的分析，本設備使用中可能面臨的主要失效模式及危害如表5。

表5 產品分離塔失效模式、可能原因及危害

4 產品分離塔達到開罐檢驗處理物料存在的安全隱患、環保問題及影響開工天數

(1)進行物料處理達到開罐檢驗存在的安全隱患，存在同行業該裝置的事故案例。

1)火災隱患：由于該系統容積約為18000 m3，完全置換合格難度較大，尤其是一些長期不流動的管線和部位，窩存氣相物料甚至液相物料的可能性很大，即使氮氣置換取樣合格，但過一段時間，窩存的物料擴散很可能會重新污染系統，造成安全隱患。

2)窒息隱患：系統進人檢查前要用空氣置換氮氣，如上所述，系統較大，一些管線或部位很難完全置換合格，有一定的窒息風險。

(2)進行物料處理達到開罐檢驗存在的環保問題。

經測算，該系統(包含2臺產品分離塔、2臺表冷器、1臺產品回流罐)容積約為18000 m3，在系統處理到氣相回收步驟時，無法將該系統內所有物料完全回收，按照系統殘留0.2 MPaG壓力，那么該系統將會殘留約36000 Nm3的可燃氣體，這些殘存的可燃氣體將會排至火炬，造成環保壓力。

(3)進行物料處理達到開罐檢驗條件影響開工時間的具體天數。經測算，該系統(包含2臺產品分離塔、2臺表冷器、1臺產品回流罐)處理準備時間+處理時間+檢驗時間+檢驗后恢復時間總共約為35天；而此工作外整個裝置處理+檢修預計需要25天，預計開罐檢驗影響開工時間為10天左右。

5 分離塔檢驗檢測的實施

因生產原因，無法達到停車檢驗的要求，前期，通過對產品分離塔的工藝條件、使用參數、介質特性、使用工況及失效模式的綜合分析，檢驗人員經過多番論證，就分離塔的定期檢驗，制定了切實可行的檢驗方案。

5.1 使用單位準備工作

1)拆除影響檢驗的附屬部件或其它物體。

2)提供外部用220V電源，應有漏電保護裝置。

3)檢驗現場應潔凈，不應有影響檢驗的各種雜物。檢驗過程中，現場及周圍不應有威脅到檢驗人員人身安全的不安全因素。

4)檢驗時，應有專人監護，并且有可靠的聯絡措施。

5)使用單位壓力容器管理人員和相關人員到場配合，協助檢驗工作，負責安全監護。

5.2 檢驗內容

5.2.1 宏觀檢查

目的是檢查設備內外表面的宏觀缺陷及結構變化情況，目測檢查設備表面狀況，包括以下內容：

5.2.1.1 結構檢驗

封頭型式、封頭與筒體的連接、開孔位置及補強、縱(環)焊縫的布置及型式、支承或者支座的型式與布置、排放(疏水、排污)裝置的設置等。

5.2.1.2 幾何尺寸檢驗

包括筒體同一截面上最大內徑與最小內徑之差，縱(環)焊縫對口錯邊量、棱角度、咬邊、焊縫余高等；

5.2.1.3 外觀檢驗

包括銘牌和標志，壓力容器內外表面的腐蝕，主要受壓元件及其焊縫裂紋、泄漏、鼓包、變形、機械接觸損傷、過熱，工卡具焊跡、電弧灼傷，支承、支座或者基礎的下沉、傾斜、開裂，直立容器的鉛錘度，排放(疏水、排污)裝置和泄漏信號指示孔的堵塞、腐蝕、沉積物，密封緊固件及地腳螺栓完好情況等。

表6 產品分離塔標高測量表

5.2.2 隔熱層檢驗

隔熱層的破損、脫落、潮濕，有隔熱層下壓力容器殼體腐蝕傾向或者產生裂紋可能性的應當拆除隔熱層進一步檢驗。

5.2.3 壁厚測定

①壁厚測定，一般采用超聲測厚方法，用超聲波測厚儀很好的發現是否有壁厚減薄問題。此次檢驗難點出現在如何拆除隔熱層，對于如此大的容器，如果大面積的拆除隔熱層，勢必給使用單位恢復隔熱層在人力物力財力上帶來很大的浪費。在如何拆除隔熱的問題上，中心站巧妙運用金屬開孔器，只在需測厚部位采用開孔器開孔，取出后的隔熱層在測厚完畢進行回填。

②當發現母材有夾層時，應在其附近增加測厚點，擴大檢測面積，必要時用超聲波探傷儀查明夾層的分布情況和面積大小，以及與母材的傾斜度。必要時進行壁厚校核。

5.2.4 表面無損檢測

使用期間定期無損檢測的目的則是為了發現使用過程中有無新生缺陷產生，及時提醒用戶對其進行維修，以確保生產設備和人員的安全。塔器中大部分制造缺陷都是由焊接產生的，焊接接頭質量的好壞直接影響結構的可靠性。焊接缺陷對設備的影響，主要是在缺陷周圍產生應力集中，嚴重時使原缺陷不斷擴展，直至破裂；同時，焊接缺陷對疲勞強度、脆性斷裂以及應力腐蝕開裂都有重大影響。隨著裝置大型化和介質復雜化，塔器的安全性和整體可靠性問題日益突出，對無損檢測的要求也越來越高。

①經其他檢測方法發現的可疑部位。

②對所有角焊縫優先采用磁粉檢測，當磁粉檢測無法進行時，用滲透檢測代替。

③因無法對內表面進行檢測，因此在本次檢驗中采用NB/T47013中的聲發射方法對內表面進行檢測。

因我站不具備聲發射檢測資質，據我站《檢驗檢測分包項目管理程序》，對聲發射項目進行分包，首先取得了天津渤化有限公司的書面同意，經過對分包方的評審，確定由中國特種設備檢驗研究院承擔聲發射的檢測。委托中國特檢院采用“聲發射”等國內最先進的檢驗技術完成了兩座高94.5 m、內徑9.7 m、容積達6188 m3，是亞洲單體容積最大塔式設備的產品分離塔的在線檢驗，引用中國特檢院在《中國特種設備安全》發表文章中的一句話(實現了大型塔式設備在線檢驗技術的嘗試和應用)評價中心站制定的檢驗檢測方案和實施策略是巧妙的、科學的、先進的。

圖2 探頭布置外圍圖

針對該設備高度特別高、直徑特別大的特點，并考慮強海風等惡劣環境條件，經與使用單位共同磋商，將多臺聲發射儀進行組合應用，進行復雜的探頭布置(圖2)，并就局部拆除、恢復保溫層進行巧妙的設計，制定了一套安全、科學、有效的施工作業檢測方案。

根據產品分離塔外圍平臺布置傳感器，由于平臺長短不一，傳感器布置一共15層，傳感器最大間距為5 m，工46個探頭。

對此分離塔進行的聲發射檢測是通過對熱交換器注入蒸汽提高塔內溫度，進而對塔內進行升壓的，從1.6 MPa開始采集數據，最大試驗壓力1.85 MPa。二次保壓壓力為1.8 MPa。

本次聲發射檢測共發現3個有意義信號源，全部在第一次保壓階段，如圖3所示。

圖3 聲發射檢測布點示意圖

5.2.5 埋藏缺陷檢測

目的是檢查設備本體是否存在內部超標缺陷，以及判斷表面無損發現裂紋的缺陷深度。

采用常規數字式超聲波探傷儀檢測以下部位：

①M36地腳螺栓清洗后，采用超聲波(UT)探傷，檢驗其損傷和裂紋情況，重點檢驗螺紋及過度部位有無環向裂紋。

②對其他檢測方法有懷疑的部位。

5.2.6 安全附件檢驗

目的是檢查分離塔安全附件是否在校驗周期之內。

①檢查安全閥標牌及檢定證書，檢查安全閥是否在校驗周期之內；

②檢查壓力表標識及檢定證書，檢查壓力表是否在校驗周期之內；

③綜合分析與評價，出具報告

6 設備運行中有效的監控與應急管理措施

(1)產品分離塔系統(包含2臺產品分離塔、2臺表冷器、1臺產品回流罐)配有空氣冷卻器、另外還配有循環水冷卻器，能夠保證該系統在極端氣溫或同等情況下系統不超壓；

(2)該系統配有安全聯鎖系統(SIS)，一旦該系統異常超壓，裝置會自動停止進料(裝置停車)；

(3)該系統還配有安全閥(產品分離塔、表冷器、產品回流罐)，一旦超壓，系統將緊急卸放壓力；

(4)該系統周圍配有若干可燃氣體報警儀，一旦發生泄漏，內操將在第一時間發現。

7 不開罐進行全面檢驗的綜合經濟分析

7.1 耗電費用

1)GA-1101(液相處理)，功率為110kW，預計使用時間為2天；

2)GA-1502(液相處理),功率為90kW，預計使用時間為2天；

3)GA-1906(液相回填)，功率為90kW，預計使用時間為2天；

4)C-1901A/B(氣相回收)，功率為50kW*2，預計使用時間為3天；

電費單價按0.78元/kWh計。

電費總價約為(110*48+90*48+90*48+50*2*72)*0.78=16473.6元。

7.2 氮氣費用

按照氮氣置換6000Nm3/h，整個過程預計為10天，氮氣單價為0.44元/Nm3，那么氮氣費用為6000*10*24*0.44=633600元，若上游提供氮氣單位使用后備氮(液氮氣化)，那么氮氣單價將由0.44元/Nm3漲至1.08元/Nm3，氮氣總費用將會更高。

7.3 物料浪費

該系統容積為18000 m3，如果按照系統可燃氣(主要為丙烷、丙烯)0.2MPaG排火炬算，按照500Nm3可燃氣為1t算，那么系統排至火炬的物料液位36000/500=72 t，若按照物料單價5000元/t，那么物料浪費為72*5000=360000元；以上為產品分離塔系統檢驗直接的經濟評估，總費用至少約為1010073.6元。

另外，裝置區每天利息折舊在100萬以上，因此若按照預計開罐檢驗條件影響開工時間為10天左右。那么此項費用將上千萬。

通過以上分析，此項工作在解決企業物料處理中的安全、環保難題下，綜合經濟效益在2000萬元以上。

天津渤?；ぜ瘓F化工設備檢驗測中心站與多方協作、群策群力，實現了產品分離塔在不停車條件下的檢驗檢測。此項工作實現了中心站檢驗檢測綜合能力的突破，得到了集團主管領導、同行業專家和天津渤化石化有限公司的一致好評，從而鼓舞了士氣、提振了信心、鍛煉了隊伍。

[1]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB/T 30579-2014 承壓設備損傷模式識別[S].北京:中國標準出版社,2014.

[2]路秀林,王者相. 塔設備[M]. 北京:化學工業出版社,2004.

[3]劉志軍,喻健良,李志義. 過程機械[M]. 北京:中國石化出版社,2002.

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