淺談石蠟加氫精制裝置氫壓機(jī)連桿斷裂原因分析及措施

余金艷

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711）

某石化公司煉油廠石蠟加氫精制裝置1993年建成投產(chǎn)，經(jīng)多次改造，目前裝置加工能力為15萬(wàn)噸/年。2020年2月，氫壓機(jī)C-01B在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中突然因高振動(dòng)聯(lián)鎖動(dòng)作停機(jī)，操作員緊急啟動(dòng)備機(jī)。對(duì)氫壓機(jī)進(jìn)行解體檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)曲軸箱內(nèi)連桿斷裂。本文對(duì)氫壓機(jī)停機(jī)原因及連桿斷裂原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施。

1 裝置運(yùn)行情況及工藝流程簡(jiǎn)介

某石蠟加氫裝置占地面積為4500m2，裝置設(shè)計(jì)年加工能力為10萬(wàn)噸，所加工的原料為大慶原油經(jīng)溶劑脫蠟脫油后的減二、減三線的石蠟，主要產(chǎn)品為54號(hào)、56號(hào)、58號(hào)、60號(hào)、62號(hào)5個(gè)牌號(hào)的工業(yè)石蠟，于1993年4月建成投產(chǎn)。經(jīng)多次改造，2015年起，裝置年加工能力達(dá)到15萬(wàn)噸/年。

裝置工藝流程為原料蠟，自罐區(qū)來(lái)，經(jīng)低壓原料泵打入原料產(chǎn)品換熱器與產(chǎn)品換熱后，進(jìn)入脫氣塔進(jìn)行真空脫氣，脫氣后的原料經(jīng)高壓原料泵加壓后與循環(huán)氫進(jìn)行混合，氫蠟混合物料與反應(yīng)產(chǎn)物換熱后再進(jìn)入加熱爐，氫蠟混合物料在爐管中加熱后進(jìn)入加氫反應(yīng)器，在固定床催化劑存在的條件下，發(fā)生脫硫、脫氮、脫氧、烯烴飽和芳烴轉(zhuǎn)化等加氫反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物與氫蠟混合物料換熱后進(jìn)入高壓分離罐，進(jìn)行高壓油氣分離，分離出的氫氣經(jīng)兩次分蠟及冷卻由氫壓機(jī)壓縮后循環(huán)使用，高壓分離罐分離出來(lái)的蠟油經(jīng)減壓后進(jìn)入低壓分離罐，進(jìn)行低壓油氣分離，分離后的蠟油進(jìn)入汽提塔，用過(guò)熱蒸進(jìn)行汽提脫氣、脫水，汽提后的蠟油進(jìn)入干燥塔真空干燥，最后由產(chǎn)品泵抽出，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品過(guò)濾器過(guò)濾，原料產(chǎn)品換熱器與原料換熱，最后，經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻至80℃左右進(jìn)入產(chǎn)品罐。

2 氫壓機(jī)停機(jī)原因分析

2.1 設(shè)備基本情況概述

本次發(fā)生故障的氫壓機(jī)C-01B位于石蠟加氫裝置壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)，在工藝流程中的作用是將反應(yīng)產(chǎn)物與氫蠟混合物料換熱后經(jīng)高壓分離器分離出來(lái)的氫氣進(jìn)行壓縮循環(huán)使用，介質(zhì)為循環(huán)氫氣，出口壓力7.0MPa。

該氫壓機(jī)為對(duì)置單級(jí)活塞式往復(fù)壓縮機(jī)，型號(hào)為TP200，由美國(guó)制造，1993年隨裝置安裝，共C-01A、C-01B兩臺(tái)壓縮機(jī)切換使用。至本次氫壓機(jī)C-01B突然停機(jī)時(shí)，已運(yùn)行27年。

2.2 設(shè)備聯(lián)鎖情況排查

該氫壓機(jī)共設(shè)置有4個(gè)振動(dòng)聯(lián)鎖點(diǎn)，當(dāng)任意兩個(gè)點(diǎn)振值達(dá)到9mm/s時(shí)，壓縮機(jī)報(bào)警，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)達(dá)到18mm/s時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)停機(jī)。故障發(fā)生后，調(diào)取當(dāng)日7:05的DCS振動(dòng)曲線（圖1）發(fā)現(xiàn)，氫壓機(jī)C-01B在7:05分時(shí)，4個(gè)振值儀表連鎖點(diǎn)均瞬間超過(guò)18mm/s，達(dá)到27～47mm/s，因振值達(dá)到聯(lián)鎖值造成壓縮機(jī)自停。

圖1 停機(jī)當(dāng)日氫壓機(jī)C-01B振動(dòng)曲線

通過(guò)DCS對(duì)近期氫壓機(jī)運(yùn)行曲線（圖2）進(jìn)行調(diào)取，從曲線上看，該壓縮機(jī)近1個(gè)月間運(yùn)行十分平穩(wěn)，振值穩(wěn)定，無(wú)明顯上升趨勢(shì)。

圖2 此前一個(gè)月氫壓機(jī)C-01B振動(dòng)曲線

對(duì)裝置報(bào)警記錄進(jìn)行監(jiān)測(cè)，截取故障發(fā)生期間的明細(xì)，故障發(fā)生時(shí)存在三點(diǎn)氫壓機(jī)振動(dòng)高高聯(lián)鎖動(dòng)作，其余操作平穩(wěn)無(wú)報(bào)警。壓縮機(jī)入口有分液罐，設(shè)置高、高高液位開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖，故障發(fā)生時(shí)未見(jiàn)動(dòng)作，排除壓縮機(jī)帶液可能。

圖3 故障時(shí)報(bào)警記錄

故障發(fā)生后，對(duì)氫壓機(jī)C-01B進(jìn)行解體檢修，檢修前機(jī)體卸壓至0MPa，再使用氮?dú)鈱?duì)氫壓機(jī)出入口管線及機(jī)體進(jìn)行完全置換，并做好能量隔離措施。檢修人員打開(kāi)曲軸箱后，發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)曲軸連桿部位斷裂（圖4）。

圖4 打開(kāi)氫壓機(jī)C-01B曲軸箱蓋發(fā)現(xiàn)連桿斷裂

綜上，氫壓機(jī)C-01B突然停機(jī)的原因，是因?yàn)檫B桿斷裂造成壓縮機(jī)振值超標(biāo)引起聯(lián)鎖自停。因近期振動(dòng)曲線平穩(wěn)，通過(guò)巡檢和監(jiān)盤無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)連桿存在疲勞損傷。

3 氫壓機(jī)C-01B連桿斷裂原因分析

3.1 氫壓機(jī)運(yùn)行情況分析

根據(jù)《SHS01020--2004 活塞式壓縮機(jī)維護(hù)檢修規(guī)程》及某公司動(dòng)設(shè)備管理制度活塞式壓縮機(jī)強(qiáng)檢管理實(shí)施辦法，活塞式壓縮機(jī)要求每24個(gè)月進(jìn)行一次大修。該氫壓機(jī)C-01B上次大修時(shí)間為2018年5月，2019年6月進(jìn)行過(guò)一次小修，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間，車間已做2020年2月對(duì)氫壓機(jī)進(jìn)行大修的計(jì)劃，不存在超期檢修。

因運(yùn)行時(shí)間超過(guò)20年，2017年對(duì)兩臺(tái)氫氣壓縮機(jī)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化測(cè)繪加工。其中C-01A于2017年7月進(jìn)行改造，除曲軸及殼體外，兩側(cè)連桿至活塞的運(yùn)動(dòng)件均更換為國(guó)產(chǎn)備件。為確保使用可靠性，決定對(duì)C-01A運(yùn)行考察一個(gè)檢修周期后，再對(duì)C-01B進(jìn)行更換。故本次斷裂連桿為原機(jī)原廠件。

自2018年裝置檢修后開(kāi)工以來(lái)，氫壓機(jī)C-01B的各運(yùn)行參數(shù)均在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)，未發(fā)生超負(fù)荷情況。但是自2019年4月開(kāi)始，因加氫反應(yīng)器壓差開(kāi)始升高，至本次故障前，系統(tǒng)差壓已逐漸升高至1.0MPa，造成氫壓機(jī)做功阻力加大。壓縮機(jī)入口有一立式分液罐，設(shè)置高、高高液位開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖，操作人員每4個(gè)小時(shí)對(duì)分液罐進(jìn)行一次脫液操作，按時(shí)脫液，故障時(shí)未見(jiàn)動(dòng)作，排除氫壓機(jī)帶液可能。

3.2 連桿斷口處宏觀檢查及電鏡掃描結(jié)果

本次斷裂發(fā)生在連桿變徑部位，委托檢測(cè)單位對(duì)斷裂連桿進(jìn)行檢測(cè)分析。該連桿于1993年購(gòu)置，供貨標(biāo)準(zhǔn)、連桿材質(zhì)牌號(hào)等具體資料不詳，無(wú)法對(duì)該連桿的組織性能進(jìn)行檢驗(yàn)分析，因此，本次失效分析的主要手段為對(duì)斷口進(jìn)行電鏡掃描分析。

首先，對(duì)斷口處進(jìn)行宏觀檢查?？捎^察到斷口表面較為平齊，斷口處無(wú)明顯的塑形變形。對(duì)1#斷口與2#斷口分別放大后可發(fā)現(xiàn)，1#斷口可見(jiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展區(qū)域，存在裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)等疲勞斷口的主要特征區(qū)域，而2#斷口并無(wú)裂紋擴(kuò)展區(qū)域，且2#斷口周圍磨損嚴(yán)重，由此可推斷，該連桿的斷裂失效由1#斷口開(kāi)始，2#斷口為隨后的磨損過(guò)載斷裂。

圖5 氫壓機(jī)C-01B解體后拆卸出斷裂的連桿

本次斷裂由1#斷口發(fā)生，故本次檢測(cè)主要對(duì)1#斷口進(jìn)行斷口分析。在1#斷口裂紋源區(qū)可見(jiàn)較大的機(jī)械磨損，由于連桿發(fā)生斷裂后，設(shè)備仍存在慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，無(wú)法判斷該磨損部位是斷裂前磨損還是斷裂后磨損。斷口內(nèi)大部分區(qū)域較為平坦，為裂紋的擴(kuò)展區(qū)，屬于裂紋慢速擴(kuò)展區(qū)域，擴(kuò)展區(qū)存在較大條帶，這是疲勞斷口的宏觀形貌特征。斷口內(nèi)部剩余的凸起部分為最后斷裂區(qū)，屬于裂紋快速擴(kuò)展和瞬間斷裂的區(qū)域。

圖6 1#斷口擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋

對(duì)1#斷口采用機(jī)械加工的方法制成掃描電鏡試樣，將掃描電鏡試樣采用過(guò)超聲波清洗器反復(fù)清洗后，裝入掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察，因試樣裂紋源區(qū)發(fā)生磨損，使得源區(qū)的原始斷口形貌發(fā)生破壞，對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行觀察，局部放大后觀察斷口上有疲勞輝紋存在，這是疲勞斷口最主要的證據(jù)。

根據(jù)運(yùn)行情況分析及檢測(cè)結(jié)果判斷，本次石蠟加氫裝置氫氣壓縮機(jī)C-01B連桿斷裂的原因?yàn)槠跀嗔选?/p>

4 采取的措施

4.1 嚴(yán)格控制工藝操作

運(yùn)行27年來(lái)，該石蠟加氫精制裝置歷經(jīng)多次改造，年設(shè)計(jì)能力由10萬(wàn)噸逐步提高至15萬(wàn)噸，2018年檢修開(kāi)工后，裝置始終保持滿負(fù)荷條件運(yùn)行。2018年12月后，反應(yīng)器出、入口差壓較上一周期比有上升趨勢(shì)，2019年4月反應(yīng)器差壓逐漸上升明顯，目前系統(tǒng)差壓已逐漸升高至1.0MPa。主要原因是本周期加工部分減三線蠟油，該原料中含有較多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，對(duì)反應(yīng)器床層的差壓有影響。目前，將減三線蠟油進(jìn)行正序工藝流程生產(chǎn)，減少石蠟加氫裝置原料中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。2020年7月，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行催化劑撇頭更換，降低了系統(tǒng)差壓。

裝置對(duì)氫壓機(jī)入口溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，該溫度主要通過(guò)循環(huán)氫冷卻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前，控制循環(huán)氫冷卻器溫度在55～60℃，使循環(huán)氫與蠟液能夠在冷高壓分蠟罐中進(jìn)行充分分離，減少循環(huán)氫中的蠟進(jìn)入氫壓機(jī)入口分液罐。加強(qiáng)對(duì)氫壓機(jī)循環(huán)氫流量的控制，保證循環(huán)氫流量平穩(wěn)減少波動(dòng)。

4.2 加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理

本次氫壓機(jī)C-01B高振動(dòng)自停，氫壓機(jī)C-01A開(kāi)機(jī)正常后，氫壓機(jī)C-01B氫壓機(jī)盤車后空轉(zhuǎn)無(wú)異常，無(wú)論是從振值還是出入口溫度，以及現(xiàn)場(chǎng)觀察均正常。故障發(fā)生初期，設(shè)備管理人員對(duì)儀表振動(dòng)聯(lián)鎖信號(hào)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了懷疑，但通過(guò)解體檢修，對(duì)曲軸箱進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸連桿斷裂，說(shuō)明此次設(shè)備管理人員在對(duì)氫壓機(jī)因振動(dòng)高自停的原因進(jìn)行分析時(shí)第一判斷有誤，存在對(duì)儀表設(shè)施不信任的偏執(zhí)主觀心理，經(jīng)驗(yàn)不足。

通過(guò)本次故障，排查得出氫壓機(jī)室內(nèi)攝像頭停送電、在氫壓機(jī)室內(nèi)使用對(duì)講機(jī)對(duì)振值有干擾，目前正逐點(diǎn)消除外界干擾源，干擾相對(duì)減少，但原振動(dòng)探頭為老產(chǎn)品，本身抗干擾能力較差，準(zhǔn)備更換抗干擾探頭，最終解決干擾問(wèn)題。

對(duì)于往復(fù)機(jī)強(qiáng)檢，有關(guān)設(shè)備管理有明確規(guī)定，但是，由于對(duì)于連桿是鑄件的原因，現(xiàn)有的檢測(cè)方式不足以完全檢測(cè)出本可能存在的缺陷或者裂紋，至于交變載荷形成的內(nèi)缺陷的檢查，還有待于向廠家和檢測(cè)中心請(qǐng)教和學(xué)習(xí)，看是否有先進(jìn)的檢測(cè)方法。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加強(qiáng)工藝操作條件調(diào)整，嚴(yán)格控制氫壓機(jī)入口溫度，避免循環(huán)氫中的蠟進(jìn)入壓縮機(jī)入口分液罐內(nèi)，減少循環(huán)氫量波動(dòng)，根據(jù)催化劑使用情況和活性要求定期撇頭換劑、控制系統(tǒng)壓差，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況及制度按時(shí)對(duì)氫壓機(jī)進(jìn)行強(qiáng)檢，加強(qiáng)氫壓機(jī)運(yùn)行及維護(hù)知識(shí)的培訓(xùn)，提高儀表指示的可靠性和抗干擾能力，確保壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。