加氫裝置小管徑高壓管線的泄漏分析與預(yù)防

(中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司煉油廠，新疆 獨(dú)山子 833699)

某加氫裂化裝置2009年建成投產(chǎn)，裝置以減壓蠟油和焦化蠟油為原料，生產(chǎn)低硫、高十六烷值的優(yōu)質(zhì)柴油、輕烴氣體、液態(tài)烴、石腦油和加氫尾油。根據(jù)生產(chǎn)需要，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可在63%到70%之間進(jìn)行調(diào)整。裝置由反應(yīng)部分、分餾部分及公用工程設(shè)施等組成。

反應(yīng)部分主要為高溫高壓區(qū)域，部分區(qū)域的壓力高達(dá)17 MPa，溫度高達(dá)440 ℃，且反應(yīng)部分介質(zhì)含有較高濃度的有毒有害物質(zhì)，如發(fā)生泄漏在無(wú)法有效隔離的區(qū)域，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 小管徑高壓臨氫管線運(yùn)行現(xiàn)狀

在2017年10月，加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐切液線A閥前手閥接管發(fā)生泄漏，泄漏部位位于閥前管線對(duì)接焊縫熔合線北側(cè)附近，東側(cè)偏上位置。泄漏管線于2009年投用至今，介質(zhì)為硫化氫、氫氣混合氣體以及凝液，溫度為58 ℃，壓力為14.5 MPa。泄漏管線更換后，裝置恢復(fù)正常生產(chǎn)。泄漏部位見(jiàn)圖1。

圖1 分液罐切液線泄漏部位

泄漏管線材質(zhì)為A106-A，規(guī)格為φ34 mm×6.5 mm的較細(xì)高壓管線。對(duì)該管線進(jìn)行全面測(cè)厚檢查，除了泄漏部分前后20 mm范圍內(nèi)存在不規(guī)則的減薄外，管線其余同等級(jí)部位最小壁厚為5.91 mm，由此推算，該管線的最大腐蝕速率為 0.074 mm/a[1]，不存在明顯的腐蝕減薄。

按設(shè)計(jì)要求的20%檢測(cè)比例無(wú)法完全覆蓋到類(lèi)似的區(qū)域。在泄漏管線更換后，對(duì)158處類(lèi)似的小短管進(jìn)行了全面的測(cè)厚排查，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕減薄情況，常規(guī)的檢測(cè)無(wú)法精確覆蓋到每一處的異常部位。因此，單純的增大檢測(cè)比例不是一個(gè)有效的選擇。

剖開(kāi)該管線后發(fā)現(xiàn)，整段管線內(nèi)部均有結(jié)焦，結(jié)焦主要集中在管內(nèi)下半部，一道閥前結(jié)焦比較嚴(yán)重。圖2所示三通南側(cè)截面，管口底部可見(jiàn)焦?fàn)钗锍练e，厚度約1/4內(nèi)徑。結(jié)焦區(qū)域約從4點(diǎn)順時(shí)針至7點(diǎn)半位置。圖3為南側(cè)一道閥前焊縫橫截面，范圍從2點(diǎn)半順時(shí)針至12點(diǎn)鐘位置均有結(jié)焦，漏點(diǎn)位置在約2點(diǎn)鐘位置，其中3點(diǎn)至9點(diǎn)結(jié)焦較厚，9點(diǎn)至12點(diǎn)結(jié)焦相對(duì)較薄。

對(duì)剖開(kāi)的泄漏管線進(jìn)行外觀檢查，可見(jiàn)深淺、寬窄不規(guī)則的沖蝕溝槽，漏點(diǎn)距焊縫5 mm，詳見(jiàn)圖4。管壁泄漏部位為沖蝕產(chǎn)生，沖蝕部位軸向長(zhǎng)度約55 mm，并且溝槽相對(duì)較窄，約10～20 mm，沖蝕溝槽過(guò)焊縫后擴(kuò)大為1/4圓周長(zhǎng)度。

圖2 三通部位接頭狀況

圖3 泄漏部位結(jié)焦?fàn)顩r

圖4 漏點(diǎn)部位管線解剖示意

2 原因分析

循環(huán)氫緩沖罐V108切液線是間斷性操作，平均每8 h打開(kāi)切液閥一次，且A/B支路輪流進(jìn)行操作，分配到每一條支路管線上，每16 h才操作一次，每次操作時(shí)間為20～30 s，當(dāng)后路介質(zhì)的流量上升后則立即關(guān)閉。在靜置的時(shí)間段內(nèi)，由于重力的作用，凝液含有的催化劑粉末等雜質(zhì)逐步沉積到切液線下部。切液閥打開(kāi)時(shí)，含有催化劑粉末的雜質(zhì)逐步向前移動(dòng)，部分沉積物逐漸形成結(jié)焦，焊縫內(nèi)部余高加劇了結(jié)焦形成，結(jié)焦逐步增加，造成介質(zhì)通過(guò)量逐漸降低，越靠近一道閥結(jié)焦越厚，管線內(nèi)壁的結(jié)焦和和焊縫余高造成的結(jié)焦厚度不同使介質(zhì)流道改變，進(jìn)一步造成切液時(shí)介質(zhì)的流速增加。

V108切液時(shí)氣體流量為1 000～1 500 m3/h，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程PV=nRT，換算成V108切液狀態(tài)下的流量為5.69～8.53 m3/h[2]，進(jìn)一步測(cè)算出切液線全通情況下的介質(zhì)流速為4.86～6.54 m/s。當(dāng)切液線被部分含催化劑的雜質(zhì)堵塞時(shí)，通過(guò)此次解剖的管線估算，泄漏點(diǎn)附近結(jié)焦最為嚴(yán)重的管線通行截面積僅為正常的40%，由此測(cè)算出氣體介質(zhì)的流速為11.41～17.11 m/s,遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的富氫類(lèi)壓力管道介質(zhì)流速不大于8 m/s的指標(biāo)。因?yàn)椴糠只旌辖橘|(zhì)的液體無(wú)法在氣體通過(guò)前完全排放至后路，當(dāng)氣體通過(guò)時(shí)，部分氣液混合介質(zhì)共同沖刷在管線結(jié)焦的空隙部位，且介質(zhì)的流向直接朝向管壁，沖刷范圍不斷增大、沖刷溝槽加深,導(dǎo)致管壁穿孔[3]。

管線結(jié)焦物質(zhì)為兩部分，一部分為黑色粉狀顆粒狀物，另一部分為棕色塊狀顆粒狀物。對(duì)結(jié)焦物進(jìn)行化學(xué)組成分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)焦物化學(xué)分析

*熱重稱(chēng)樣10 mg左右，查看垢樣分兩種顏色，一種黑色粉狀小顆粒，一種棕色塊狀顆粒，分析黑色粉狀小顆粒，碳粉為6.60%；分析棕色塊狀顆粒，碳粉為3.03%，平均后結(jié)果為4.81%。

對(duì)兩種樣品分別進(jìn)行熱組成分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)焦物熱組成分析 w,%

由表1和表2看出,結(jié)焦物質(zhì)雖然有一定的差別，但主體都是加氫裂化催化劑粉末并含有一定量的碳粉。

加氫裝置的催化劑破碎產(chǎn)生的粉末和反應(yīng)系統(tǒng)生成的焦粉無(wú)法避免。對(duì)于大管徑高壓工藝管線，部分催化劑粉末和焦粉等雜質(zhì)的沉積不影響流通面積和流體方向。大管徑高壓管線上的導(dǎo)淋或放空管線僅在開(kāi)工或停工階段使用，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，導(dǎo)淋或放空管線相當(dāng)于靜止?fàn)顟B(tài)，僅承受靜態(tài)的壓力，且在腐蝕不嚴(yán)重的情況下，介質(zhì)的流量或流向的改變對(duì)其影響也不大[4]。高壓臨氫管線的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在類(lèi)似切液線等較高頻次的間歇性小管徑管線上，部分雜質(zhì)的聚集或沉積，有可能造成管線內(nèi)介質(zhì)流速、流向的改變和介質(zhì)直接沖刷管壁，且沖刷范圍不斷增大，長(zhǎng)期直接沖刷導(dǎo)致管壁穿孔[5]。

3 預(yù)防措施

加氫裝置的催化劑粉末和反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生焦粉無(wú)法避免，但在一定的時(shí)間段內(nèi)，卻可以將催化劑粉末與焦粉沉積的影響降低。如利用停工大修的機(jī)會(huì)，對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的小管徑高壓管線進(jìn)行高壓水沖洗，降低催化劑粉末與焦粉等雜質(zhì)沉積在小管徑管線內(nèi)存在的概率，從而減小高壓、高速的介質(zhì)直接沖刷管壁的概率，降低小管徑高壓管線泄漏穿孔的可能。

雖然無(wú)法避免催化劑粉末和焦粉等雜質(zhì)的產(chǎn)生，但在一定的時(shí)段內(nèi)，可降低此類(lèi)可沉積雜物產(chǎn)生的比例。在催化劑裝填前進(jìn)行篩分，使用專(zhuān)業(yè)的工具按制定好的裝填方案進(jìn)行裝填，減小催化劑碎裂的概率，降低無(wú)效的催化劑粉末被裝填進(jìn)反應(yīng)器而導(dǎo)致反應(yīng)器床層壓力差升高、產(chǎn)生床層熱點(diǎn)、增大反應(yīng)系統(tǒng)操作難度、降低催化劑有效使用周期等問(wèn)題出現(xiàn)的概率[6]。保持生產(chǎn)的穩(wěn)定，避免大幅度的改變工藝參數(shù)，降低催化劑破碎與介質(zhì)結(jié)焦的概率，從根本上降低催化劑粉末與焦粉出現(xiàn)在小管徑高壓管線的概率。

根據(jù)固態(tài)物質(zhì)沉積的機(jī)理，對(duì)可能存在介質(zhì)沉積的部位進(jìn)行大范圍針對(duì)性的管線測(cè)厚，以第一時(shí)間掌握管線的壁厚情況，提前預(yù)防，及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)或更換，避免出現(xiàn)不可控的泄漏以及泄漏后所引發(fā)的蝴蝶效應(yīng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)加氫裝置小管徑高壓管線泄漏原因的分析，采取了高壓水沖洗的措施，降低催化劑粉末與焦粉等雜質(zhì)沉積在小管徑管線內(nèi)存在的概率。經(jīng)過(guò)400多天運(yùn)行，結(jié)果證明：該措施有效地避免了小管徑高壓管線泄漏事故，保障了加氫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，為加氫裝置的安全運(yùn)行提供了保證。