引起套管結晶器安全銷被剪斷的情況分析及解決措施

張超(泰州石油化工有限責任公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

套管結晶器是石油煉廠潤滑油生產裝置中使含蠟油結晶脫蠟和化工生產中從液體中析出固體使其結晶以便于分離的主要設備之一，其作用是通過冷卻介質與含蠟油或化工原料的熱交換，使含蠟油中的結晶體冷凍結晶，以便經過濾機或其他分離設備過濾，使固液分離。

目前各煉廠的酮苯脫蠟裝置所使用的套管結晶器有68m2、70 m2、90 m2、105 m2、110 m2、130 m2等多種系列。68 m2套管結晶器的內外管直徑分別為DN150和DN200，內管直徑小，阻力降大，容易堵塞，需要經常用溶劑融化內管壁上的結晶蠟；傳動軸受交變應力的作用，常常出現斷軸現象；傳動軸填料處容易泄漏；設備故障率高，維修工作量大。105 m2及以上的套管結晶器的內外管直徑較大，介質流動阻力降小，內管不易被結晶蠟堵塞，減少了溶劑融化內管的次數，有利于平穩操作，并能提高裝置的處理量；同時采用新型傳動頭，傳動軸受力合理，避免了斷軸現象；傳動軸填料處密封效果大大提高；設備耗電量小，故障率低，設備維修工作量大大減少，故105 m2及以上的套管結晶器已在煉油廠酮苯脫蠟裝置中廣泛使用。套管結晶器的發展趨勢是向內管直徑大型化方向發展，目前國內外生產的套管結晶器內管直徑已發展到DN200，甚至還有DN300的。

泰州石油化工有限責任公司自1985年酮苯脫蠟裝置開工以來套管結晶器(型號：105HI-200×250、105AI-200×250)傳動軸磨損、填料失效過快、密封泄漏，刮刀軸載荷大，安全銷被頻繁剪斷等問題一直困擾著酮苯脫蠟裝置的安全平穩運行。為徹底改變此種現狀，同步節約維修費用，杜絕現場環境低標準問題發生，減少操作人員和檢維修人員工作負擔，經過長期的反復探索、分析、計算、現場勘查及對照實驗，最終得到了一整套解決方案。

1 套管結晶器安全銷的結構尺寸和材質

(1)在每一個傳動頭部件上均設有兩個安全銷，互成180°布置，將動力均勻地傳遞給刮刀軸，并起著過載保護作用，以防止刮刀軸因超負荷運轉而造成設備事故，所以在任何情況下，都不能任意加大安全銷的結構尺寸和改變材質。安全銷的材質一般選用脆性材料，通常選用淬硬鋼(45#)或硬銅(H62)材質。

(2)安全銷最小直徑的確定：

式中：d為安全銷最小直徑(mm)；T為扭矩(N·mm)；D為安全銷位于中心圓直徑(mm)；Z為安全銷個數；τ為材料剪切強度極限(MPa)，τ=(0.6～0.7)σ，σ為材料抗拉強度(MPa)。

以泰州石油化工有限責任公司套管結晶器(型號：105HI-200×250、105AI-200×250)為例，通過隨機資料和計算可以得出d=8 mm。套管結晶器安全銷如圖1所示。

圖1 套管結晶器安全銷

由此可見，安全銷的結構尺寸和材質是有限制的，為了確保套管結晶器在安全銷不被剪斷的情況下，能夠持續穩定長周期的運行，故作以下分析。

2 套管結晶器安全銷被剪斷的情況

2.1 密封填料壓得過緊引起安全銷被剪斷

在每根套管的前端設有填料盒，它的作用是用密封填料將內管中的介質封住不外泄，同時還對傳動軸起支承作用。根據現場和隨機資料可知填料盒主要由1道填料壓環、1道填料支承環和7道填料密封環組成，壓縮量約為20%。

使用過程中由于傳動軸和密封圈相繼磨損，會造成填料失效，介質外泄，此時為了制止泄漏，檢維修人員往往會不斷緊固填料盒密封圈壓蓋，增加壓縮量，最終導致密封填料壓得過緊，傳動軸載荷大，安全銷被剪斷。

2.2 刮刀彈簧載荷不當引起安全銷被剪斷

套管結晶器刮刀軸總成是主要工作部件之一，它是由四根刮刀軸和三個單向旋轉的自鎖式支撐架組成，使刮刀軸處于內管內徑的軸心線位置，刮刀與刮刀軸組成框式攪拌器，相鄰兩框架成90°交錯布置并相互覆蓋50～75 mm。刮刀靠支承座上彈簧的作用貼合在套管內壁上，起著刮除結晶體的作用，同時還對工作介質起著攪拌的作用[1]。

若刮刀彈簧載荷過大會導致刮刀與內管壁接觸壓力大，一方面使得刮刀磨損過快，另一方面刮刀軸整體載荷大，導致安全銷被剪斷；若刮刀彈簧載荷過小會導致刮刀與內管壁接觸壓力小，不能夠刮除附著于內管壁上的蠟結晶，造成蠟結晶堆積，內管阻力降大，導致安全銷被剪斷。

2.3 內管原料介質特性和處理工藝不當引起安全銷被剪斷

套管結晶器在日常生產過程中若原料介質中蠟含量偏高，含有太高的膠質、瀝青質，含水以及處理過程中冷卻速度過快，都會造成套管載荷大引起安全銷被剪斷。

若原料介質中蠟含量偏高在同樣條件下漿液的飽和度變化速度快，操作中需較大的稀釋比，即需要用更多的溶劑融化內管壁上的結晶蠟，一方面降低了處理量，增加了溶劑損耗和能耗，另一方面易造成內管堵塞、阻力降大導致安全銷被剪斷。

若原料介質中含有太高的膠質、瀝青質，易在套管內壁上生成粘連的細微晶體；若原料介質中含水，超過最低析冰限，冰粒析出，這些都會造成刮刀阻力大導致安全銷被剪斷。

若在冷凍初期處理過程中冷卻速度過快，套管內壁上也會形成細小晶體，造成刮刀阻力大導致安全銷被剪斷。

3 預防套管結晶器安全銷被剪斷的解決措施

(1)通過改變填料盒內密封圈數量，同步增加壓縮量的不同條件組合，最長可將套管結晶器無泄漏且安全銷正常運轉時間延長接近 50%，但此種工況下發生泄漏后已無法通過對填料盒密封圈壓蓋緊固，增加壓縮量的方法止漏，當壓縮量增加5%及以上時，安全銷被剪斷(如圖2所示)。故對傳動軸材質和局部表面處理進行試驗尋找解決措施[2]。

圖2 填料盒

方案1：母材45#，調質，局部表面滲氮處理；

試驗情況：安裝傳動軸連續運轉4 000 h后，開始泄漏，不斷緊固可運行至5 700 h，此時泄漏量過大，加大壓縮量勉強使用至5 900 h左右，安全銷被剪斷，拆檢發現傳動軸表面存在點蝕，已無法繼續使用。

方案2：母材35CrMoA，調質，局部表面鍍鉻處理；

試驗情況：安裝傳動軸連續運轉5 800 h后，開始泄漏，不斷緊固可運行至8 000 h，泄漏量過大，緊固至不漏狀態，由于密封填料壓得過緊，安全銷被立即剪斷，拆檢發現傳動軸表面鍍層脫落、均勻磨損2 mm以上，已無法繼續使用。傳動軸如圖3所示。

圖3 傳動軸

方案3：母材35CrMoA，調質，局部表面噴涂碳化鎢；

試驗情況：安裝傳動軸連續運轉9 000 h后，開始泄漏，正常緊固填料，仍然泄漏，加大壓縮量至不漏，勉強運轉96 h左右安全銷被剪斷，拆檢發現傳動軸基本正常，填料受溶劑侵蝕而導致膨脹硬化。

由于方案3的試驗發現9 000 h以上填料開始失效，而傳動軸基本正常，故對填料進行選材試驗(尤其重視耐侵蝕性)。

填料方案1：氟橡膠(FPM)具有耐高溫、耐油性、耐腐蝕、抗老化等優良特點，故選作試驗材料。通過試驗發現其加工性差，彈性和透氣性較低，可壓縮量小，不能滿足長周期無泄漏平穩運行。

填料方案2：聚四氟乙烯(PTFE)具有耐高溫、化學性質好、耐腐蝕、摩擦系數低等優點，故選作試驗材料。通過試驗發現其硬度低，耐蠕變性差尤其是耐磨損性差，易冷流，不能滿足長周期無泄漏平穩運行。

填料方案3：新型復合材料，改性聚苯酯(含聚四氟乙烯)，通過試驗發現其具有耐高溫、耐侵蝕、摩擦系數低等特點，尤其是彈性和耐磨損性好，能滿足9 000 h以上無泄漏平穩運行，將其與前兩者對比，發現新型復合材料綜合性能優于前兩者。材料性能如表1所示。

表1 材料性能表

(2)刮刀選用合適的彈簧，材料一般采用1Cr18Ni9或60Si2Mn。彈簧載荷不宜過大或過小，最大工作載荷為0.2 MPa，最小工作載荷不小于0.1 MPa(含刮刀磨損后)。

(3)采用合適的處理工藝對原料介質進行嚴格處理，使其達到工藝卡片標準。首先對原料介質進行脫水、降低膠質、瀝青質。其次控制好一、二次溶劑稀釋比。一次稀釋溶劑的作用主要在于稀釋原料油降低黏度便于輸送。同時提供必要的結晶條件，使結晶體生長良好，便于過濾。因此一次稀釋溶劑的加入量就是要能完全溶解油，達到一定的濾速，降低換冷套管壓力，便于原料輸送。此時，若一次稀釋比增大，雖使濾速加快，套管壓力降低，但油收率下降、脫蠟溫差上升，所需的冷凍負荷增大；而若降低一次稀釋比，雖提高了油收率，減小了脫蠟溫差，但會使油品黏度上升。若一次稀釋比太低，還會造成缺乏稀釋溶劑，油品粘度大，套管壓力上升，安全銷被剪斷，由此可見，實際生產操作中，選擇合適的一次稀釋比，對提高產品質量、收率，保證平穩操作十分重要[3]。

脫蠟深度相近時，隨著餾分的加重，總溶劑比要加大，一次稀釋比也適當增加，但注意在保證套管壓力的情況下應該盡量低點，對結晶效果最佳。加入二次稀釋比，其作用是進一步稀釋原料油，降低氨冷套管的壓力，同時溶解油。它的加入，對脫蠟溫差影響不大，但可以促使脫蠟油的收率上升，但當溶劑加入一定量后，對提升收率的作用會明顯降低，同時冷凍負荷和回收負荷會有明顯上升，故在正常生產中應選擇好適宜的二次稀釋比。所以在處理蠟含量偏高的原料介質時可以相應的增大稀釋比，同時降低處理量，待套管載荷降低并穩定后再逐步提高處理量。最后在脫蠟過程的冷凍初期控制好溫度，冷卻速度不宜過快，當蠟的晶體初步形成之后，可適當提高冷卻速度從而得到顆粒大、堅實，易過濾的蠟晶體[4]。

4 結語

通過現場實踐可知，引起套管結晶器安全銷被剪斷的情況不是單一因素造成的，很可能同時存在著多種因素，因此要同步解決各類問題才能確保套管結晶器較長周期平穩運行。本文所述課題公司酮苯脫蠟裝置于2019年6月檢修期間對部分套管結晶器進行檢修和分組對照試驗，發現采用35CrMoA局部表面噴涂碳化鎢的傳動軸配合改性聚苯酯填料，更換全部彈簧，連續運行一個檢修周期以上，未有安全銷被剪斷的情況發生，套管結晶器實現了較長周期平穩運行。