催化裂化裝置故障檢修及技術改造

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(中國石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060)

中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司(簡稱蘭州石化)300萬t/a催化裂化裝置2014-08大檢修后不久，出現油漿泵工況異常。該油漿泵為德國魯爾泵公司生產，其額定電流為88 A，正常運行時的電流低于80 A。自2015年年底開始，油漿泵的運行電流由78 A逐步上升至83 A，并且還在持續增長。與此同時，發現裝置的催化劑跑損量明顯增多，油漿中催化劑質量分數由0.2%左右上升至0.7%左右。受油漿固含量上升的影響，油漿泵停用并于2015-12、2016-04、2016-08開泵檢修，采用激光熔覆技術修理了磨損嚴重的泵體。修理油漿泵期間，油漿泵長期處于無備用泵狀態。針對油漿泵狀況，車間采取了降低預提升蒸汽用量和急冷水用量、降低沉降器料位和頂旋翼閥下部的汽提蒸汽用量、降低旋流式快分系統(VQS)線速、增加新鮮催化劑和平衡劑的磨損指數的監控等工藝調整措施。但經過一段時間的觀察調整，發現催化劑磨損指數在正常范圍內，但是油漿中固含量和油漿泵運行電流沒有明顯下降。

文中分析了油漿泵出現異常的原因，介紹了檢修過程中發現的VQS系統、反應再生系統及其他部位故障，以及對故障的分析和修復情況[1]。

1 油漿泵故障技術分析

在出現油漿固含量上升、油漿泵電流升高等異常現象之后，從減少高溫催化劑熱崩、防止頂旋催化劑倒流、提高VQS和頂旋的分離效率等方面采取了相應的工藝調整措施。在油漿泵運行一段時間后發現，雖然催化劑的磨損指數在正常范圍內，但油漿中固含量和油漿泵的操作電流沒有明顯下降。這些情況表明，油漿泵故障的根源不在工藝設計，更可能是設備出了問題。

根據日常檢測到的油漿中催化劑含量上升情況和開泵檢修觀察到的泵體磨損情況可以判斷，有過量的催化劑進入了油漿運行系統中，催化裂化裝置的實際運行狀況也印證了這一論斷。根據車間的生產記錄，自2016-03月底起，其他跑損量顯著增多，系統催化劑藏量難以維持，連續二十多天未進行卸劑操作，而余熱鍋爐受熱面積灰速度和煙氣脫硫裝置廢渣產生速度提升不明顯，說明跑損催化劑去向大部分為油漿系統[2]。

2014-08該裝置大檢修時發現一處VQS旋流臂磨損嚴重，出現穿孔，其余部分局部出現襯里破損、脫落等問題。當時因工期等問題只是對旋流臂破損部位進行鋼板補焊，對襯里進行局部修復，對磨損沉降器翼閥進行更換[3]。結合2014年檢修情況，說明大量催化劑跑損至油漿系統與沉降器VQS出現故障有較大關系。

2 沉降器VQS檢查及修復

2.1 VQS介紹

蘭州石化300萬t/a催化裂化裝置由中石化北京設計院設計，于2003-07-01正式開工。沉降器提升管出口采用VQS+單級旋分形式。VQS是石油大學的專利產品，由旋流快分頭、封閉罩、直聯升氣管、預汽提段等組成[4]。VQS系統結構示圖見圖1，三臂旋流快分頭結構示圖見圖2。

圖1 VQS結構示圖

圖2 三臂旋流快分頭結構示圖

VQS系統工作時，混合的催化劑與裂化油氣在提升管頂部經三臂旋流頭快分后(線速約16 m/s)，斜向20°沿封閉罩內旋轉，在封閉罩中心形成負壓區，因油氣密度小，故攜帶少量催化劑的絕大部分裂化油氣折而向上與來自沉降器汽提段的汽提蒸汽匯合，經過封閉罩上的直聯升氣管進入沉降器單級高效旋風分離器，靠離心力的作用，使油氣與催化劑得到分離，帶有微量催化劑的油氣進入分餾塔。封閉罩內夾帶少量油氣的催化劑向下旋轉約4 m，遇到防渦板(第1塊預汽提擋板)后迅速終止旋轉，開始均勻向下流動，經過3層預提擋板與來自汽提段的汽提蒸汽逆向接觸，將其顆粒之間和微孔內大部分油氣汽提出來，然后與旋風分離器分離出來的催化劑匯合進入沉降器汽提段，再經過6層高效汽提擋板與二級汽提蒸汽逆向接觸，進一步分離出催化劑中夾帶的油氣。

VQS能使油氣與催化劑得到快速分離，減少二次反應。沉降器內油氣被快速引出，停留時間大幅縮短，減少了沉降器內的結焦。催化劑汽提效果好，增加了輕質油收率[5]。

2.2 VQS常見故障

沉降器VQS工作時以旋流快分為特征，旋流快分屬于慣性分離，正常工作中可以快速分離催化劑和油氣，使60%～80%的固體顆粒沉降下來，能有效減少結焦，并為頂部旋風分離器減輕分離負荷，提高其分離效率。VQS常見故障包括旋流臂變形、旋流臂破損和旋流快分頭損壞[6]。

VQS旋流臂有變形時，會導致快分旋流流場方向發生變化，造成內外渦流運動破壞，外渦流向下運動不到位，使內渦流攜帶固體顆粒進入頂部旋風分離器。VQS旋流臂破損時，會導致部分油氣和催化劑未經過旋流頭分離而出現短路。旋流臂破損還會造成出口面積變大，出口線速度降低，在設定的范圍邊緣與超出范圍出現跑劑，即油氣攜帶固體顆粒現象。旋流快分頭損壞后，不僅會增加沉降器頂部、油氣管線的結焦速率，還直接增大了頂部旋風分離器的分離負荷，使頂部旋風分離器的分離效率大幅下降，增加了頂部旋風分離器底部翼閥的開關頻率，加快了翼閥磨損的速率[5]。

2.3 VQS檢修情況

2016-08催化裂化裝置停工時對沉降器VQS展開檢查，發現的旋流臂頂部及側壁局部破損情況分別見圖3～圖5。

圖3 VQS旋流臂頂部破損情況(一)

現場可以觀察到，VQS的3個旋流臂損壞情況比預計的更為嚴重，旋流頭、3個旋流臂均有不同程度的破損。經過測量，旋流臂最大破口尺寸為(長度×寬度)350 mm×300 mm，旋流臂龜甲網襯里有掀開的裂縫，旋流臂入口、封閉罩內壁有大面積襯里發生破損。

圖4 VQS旋流臂頂部破損情況(二)

圖5 VQS旋流臂側壁破損情況

2.4 VQS修復方案

VQS修復存在較多的實際困難，例如空間狹小、施工環境惡劣、旋流臂修復空間角度無法在現場準確確定等客觀因素，以及襯里修復不能保證長久運行等主觀認識。經認真研討后決定，首先利用圖樣數據建立VQS立體模擬圖。設備打開后，對VQS多點進行數據實測，并據此對VQS立體圖進行修訂。同時，充分考慮施工中能進入沉降器封閉罩內的最大通道尺寸和材料尺寸，避免修復材料的切割過小、修復焊口過多以及易變形等問題。根據破損部位坐標，利用VQS立體圖參數進行鋼板預制，選取最合理下料尺寸，將該下料尺寸與現場破損切割部位進行核實、修訂，確保接縫處各項性能指標達到焊接工藝要求。修復時沿流道由內向外修復破損的旋流頭器壁，保證焊接后流道內壁平整、弧形曲度未發生變形。

檢修時還發現，現場襯里破損情況較為嚴重。為避免襯里修補過多、新舊襯里搭接處理不好、易脫落等問題，決定將VQS的3個旋流臂快分頭及頂部襯里拆除，以保證襯里施工質量。壁板修復完成后，在流道內壁按照要求焊接好龜甲網，制作20 mm厚度的AA級剛玉耐磨襯里，養護72 h以上，隨開工進行襯里烘干燒結。

2.5 VQS修復施工

VQS三臂旋流快分頭材質為16MnR，入口尺寸(長度×寬度)544 mm×1 339 mm，壁厚18 mm。根據實際破損情況，對三臂旋流快分頭內部襯里、旋流快分頭入口筒體下方3 m至頂封頭處的襯里進行拆除。共計拆除襯里近40 m2，修補VQS三臂旋流快分頭3.3 m2(共用去500 mm× 500 mm× 8 mm的壁板6塊，500 mm × 200 mm × 18 mm的壁板18塊)，使用龜甲網35 m2、異形部位使用側拉環2 500個。

施工過程中，為了保證安裝方便并能使修復壁板很好地固定在修復位置，在旋流頭壁板切除后增加了在其洞口四周點焊擋板以及在修復壁板四周同樣點焊擋板的保障措施。焊接龜甲網時，嚴格保證與壁板的貼合度[7]及焊接質量[8]。因VQS屬于塔套塔結構，施工空間小、通風不暢、焦粉彌漫，施工環境非常惡劣，在拆除過程中，利用兩把風鎬，采用左右夾擊、上下推打、頂部合圍的拆除法。在恢復襯里時，還要特別注意合理優化施工工序，以保障襯里料質量，克服沉降器空間狹小、襯里料運輸困難及凝固速度快等問題[9]。

3 其他故障及其修復

VQS修復時，對檢修過程中同時發現的和以往檢修未能徹底解決的反應再生系統故障，也實施了必要的零部件更換和改造。

3.1 汽提段擋板更換

汽提擋板(共6層)位于沉降器底部，實施更換操作困難。采用從集氣室下切割沉降器頂部并從頂部整體提吊方法更換汽提擋板有檢修空間大、利于人員施工、能保障施工質量等優點，但是前期拆除及后期恢復工作量大，維修成本高，備件采購、現場檢修周期長，材料、施工費預計需要1 300萬元。生產部門經過整體物料平衡計算后確認，該方案施工周期不能滿足生產整體平衡，因此整體更換從施工周期及施工費用上都不是最優化方案。

經綜合考慮，決定本次檢修不打開沉降器頂部，而是根據汽提擋板的尺寸及汽提段內部拆除、安裝所需的材料進出尺寸，采用電腦模擬推演的方法確定了在沉降器標高12.3 m汽提擋板處開高1.5 m、寬2.5 m的檢修門，外部搭設檢修平臺進行施工的更換方案。同時，要求汽提擋板制造廠家按照3段進行擋板產品的供應，施工單位在現場進行分段安裝，檢修完成后對檢修門進行焊接恢復[10]。

3.2 半再生下斜管熱點部位結構與襯里改造

半再生下斜管過熱點是該車間自建成投產以來最棘手的過熱常態點，下斜管外壁每次出現過熱都需要外包幾十平方米“盒子”，多次檢修更換都未能徹底解決。

本次檢修時，該車間通過計算膨脹系數和熱膨脹趨勢，判定該熱點長期未能根本消除主要由下斜管拐彎位置夾套結構的設計不合理所致。按照原設計，半再生下斜管拐彎處夾套連接方式為內填陶纖棉、外部夾套鋼板全焊接。此種連接結構受熱后由于夾套鋼板無膨脹伸縮空間，焊口就會發生變形破裂。高溫催化劑和煙氣從破裂處進入夾套內部后，由于陶纖棉隔熱能力有限，加之高溫催化劑的磨蝕，就會出現過熱點。

在本次檢修中該車間對結構進行改造，將以前的夾套式過渡段焊接由全焊接方式改為支撐板結構固定端焊接方式，并根據熱膨脹趨勢，焊接固定一端，其它部位保持為自由端，這樣可以保證熱態下夾套不變形。同時將此部位的分段式襯里結構改為整體襯里，廠房內烘干燒結，現場焊接后再修補處理預留縫，從而徹底解決了過熱點問題。自2016-08開工以來，經過多次紅外線檢測均未發現過熱點部位，器壁溫度保持在170 ℃左右的正常壁溫。

3.3 溢流斗固定結構改造

第二再生器溢流斗在多次檢修時均出現倒塌，其器壁上的4個固定吊耳也多次出現斷裂、甚至掉落卡在再生滑閥閥道的情況。為此，該車間決定更改溢流斗的固定結構。在溢流斗頂部和第二再生器器壁間焊接了4對吊耳，每只吊耳上開有約100 mm的長槽，每對吊耳之間用?108 mm×6 mm的0Cr18Ni9Ti管材連接，兩端用螺栓與長槽固定，保持一定自由度，既可加固溢流斗，又可保證受熱膨脹時有活動的余地。

3.4 提升管襯里植筋技術修復

反應再生系統襯里修復是本次檢修的重點，再生器、沉降器以及提升管襯里破損嚴重，設備多處出現過熱點，拆除過程中發現保溫襯里部位保溫釘全部燒損碳化并大量脫落，龜甲網燒損脫落，修復中新的保溫釘無法生根焊接，大量油和焦子浸入襯里，無法焊接，大面積拆除會嚴重損壞龜甲網結構的保溫襯里整體性。通過查資料，受混凝土植筋技術的啟發，采用在隔熱襯里中鉆孔,用植筋膠固定埋植側拉環技術修復襯里，經過試驗和拉伸核算，能滿足要求，解決了襯里的修復難題[11-12]。

3.5 翼閥更換和角度修正

因為VQS發生故障，沉降器頂部旋風分離器翼閥開關動作異常頻繁，打開檢查發現6臺DN350 mm翼閥閥板都出現不同程度磨損穿孔，本次檢修對翼閥進行全部更換。

在更換操作過程中，嚴格按照翼閥開啟角度為3°～8°的標準進行驗收[13-14]。在此基礎上，按照設計要求及裝置實際情況，通過靜態、動態[15]復核試驗雙重確認實際開啟角度，采用水刀技術進行閥板取重，使翼閥開啟角度控制在最佳操作要求的4.5°～6°[16-17]。

使用新更換的翼閥之后，再生煙氣中催化劑細粉量大幅降低，細粉拉運量由128.06 t /月下降到了37.50 t /月，比檢修前降低90.56 t/月。鍋爐的運行工況得到極大的改善，自2016-09-28重新開工以來，鍋爐未進行過停爐清灰工作，而且運行正常。催化劑單耗由1.71 kg/t降到1.64 kg/t，比檢修前降低0.07 kg/t。

4 檢修效果

自2016-09催化裂化裝置重新開工以來，油漿泵油漿固含量一直在0.2%的正常水平以下，油漿泵運行平穩，電流值在80 A以下，裝置未出現過熱點。裝置目標產品液體收率得到提高，檢修前(2015-01～2016-06)產品液體收率平均值為84.67%，檢修后(2016-09～2017-06)產品液體收率平均值為86.52%，比檢修前增加1.85個百分點。其中液態烴收率比檢修前增加1.69%，汽油收率比檢修前增加2.08%，柴油收率減少2.23%，催化劑單耗略有降低。由此證明，本次大檢修對VQS在線修復及其它故障問題的更換和改造取得成功。