溶劑再生塔內(nèi)再沸器的失效分析及改進(jìn)措施

朱永峰 *

（中海油石化工程有限公司）

0 引言

插入式再沸器是芳烴抽提裝置中的重要傳熱設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，換熱管頻繁發(fā)生泄漏直至最終失效。設(shè)備因檢修、更換而造成停產(chǎn)，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備概況

溶劑再生塔是減壓蒸發(fā)設(shè)備，在插入式再沸器內(nèi)通入2.3 MPa 飽和蒸汽，對(duì)塔底介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞，通過富溶劑中芳烴與非芳烴沸點(diǎn)不同來分離非芳烴部分，達(dá)到提純芳烴的目的。

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

塔內(nèi)再沸器以溶劑再生塔體（C-404）為殼程，采用U 形管結(jié)構(gòu)，通過滑道將管束插入塔內(nèi)，再沸器的具體工藝設(shè)計(jì)參數(shù)可見表1。

表1 再沸器工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

由于塔底介質(zhì)的溫度過高或過低都會(huì)對(duì)蒸餾效果產(chǎn)生較大影響。故在塔底再沸器下端插入蒸汽分布管，與再沸器呈180°布置，通過控制蒸汽流量來達(dá)到塔底溶劑所需壓力，最終實(shí)現(xiàn)控制介質(zhì)溫度的目的。同時(shí)通入蒸汽還可以促進(jìn)再沸器的熱量交換，避免溶劑熱分解。

1.2 設(shè)備運(yùn)行狀況

該芳烴抽提裝置于2016 年投產(chǎn)，據(jù)現(xiàn)場工作人員反映，溶劑再生塔（C-404)）與下端提供蒸汽的管系發(fā)生明顯振動(dòng)，塔內(nèi)伴有類似“石頭撞擊”的聲音。裝置運(yùn)行幾個(gè)月后，溶劑再生塔內(nèi)再沸器換熱管陸續(xù)發(fā)生泄漏，不斷需要對(duì)換熱管進(jìn)行修補(bǔ)，迫使裝置無法連續(xù)生產(chǎn)。裝置運(yùn)行一年后，固定螺栓斷裂，導(dǎo)致再沸器支撐梁脫落，且換熱管泄漏根數(shù)較多（8根）且無法再進(jìn)行修補(bǔ)，設(shè)備因無法滿足工藝要求而失效。

2 設(shè)備失效原因分析

2.1 振動(dòng)原因分析

換熱器運(yùn)行過程中，振動(dòng)不可避免。管程和殼程介質(zhì)流動(dòng)，介質(zhì)急劇汽化而使流速產(chǎn)生波動(dòng)，與設(shè)備連接管系發(fā)生振動(dòng)都可能引起設(shè)備振動(dòng)。對(duì)以上運(yùn)行狀況進(jìn)行分析后可知，溶劑再生塔的振動(dòng)主要是由塔內(nèi)再沸器與支撐梁發(fā)生連續(xù)撞擊引起的。

該芳烴抽提裝置另有3 臺(tái)塔內(nèi)的再沸器均運(yùn)行良好，且無明顯振動(dòng)。其中，C-202 及C-403 的結(jié)構(gòu)與C-404 再沸器相同，但塔內(nèi)再沸器尺寸較大（公稱直徑≥1 000 mm）；C-203 塔內(nèi)再沸器（公稱直徑為500 mm）與C-404 再沸器尺寸相同，但再沸器下端蒸汽分布管結(jié)構(gòu)不同，采用Y 型結(jié)構(gòu)，三段分布管均勻開孔。

通過以上對(duì)比分析可以看出：蒸汽分布管內(nèi)通入的蒸汽不會(huì)對(duì)再沸器管束產(chǎn)生直沖；或再沸器質(zhì)量較大，即使蒸汽分布管中通入的蒸汽氣化后形成氣泡與金屬碰撞發(fā)生破裂，均不會(huì)對(duì)再沸器產(chǎn)生較大影響，設(shè)備也不會(huì)發(fā)生明顯振動(dòng)。溶劑再生塔由于再沸器質(zhì)量較小，下端蒸汽分布管開孔較大且正對(duì)再沸器管束，會(huì)受到氣泡破裂影響，造成再沸器與支撐梁發(fā)生撞擊，使設(shè)備及提供蒸汽的管系均產(chǎn)生明顯振動(dòng)，緊固件在連續(xù)的沖擊下發(fā)生斷裂。

2.2 振動(dòng)破壞

由于再沸器管束與支撐梁頻繁撞擊，換熱管的連接及支撐部位在周期性彎曲應(yīng)力作用下，表面不斷發(fā)生變形并產(chǎn)生磨損減薄。

同時(shí)為了滿足管束裝配需要，換熱管與支持板之間采用間隙配合。支持板孔會(huì)對(duì)接觸的換熱管上下部位產(chǎn)生反復(fù)撞擊，并產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力，在的剪切應(yīng)力的長期作用下，換熱管磨損逐漸加劇[1]。

2.3 腐蝕破壞

環(huán)丁砜在低于180 ℃的工況下分解甚微，當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃后，則會(huì)加速分解成酸性物質(zhì)[2-3]，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生酸性腐蝕。

由于插入式再沸器結(jié)構(gòu)的特殊性，塔器與再沸器管束連接的過渡部分靠近管程，此段傳熱面積大，空間狹小且介質(zhì)不易流通，在飽和蒸汽發(fā)生相變產(chǎn)生大量熱量的情況下，該部分介質(zhì)溫度會(huì)急速升高至180℃以上。同時(shí)，隨著裝置的運(yùn)行，氯離子逐漸積累生成酸性氯化物，且氧含量逐漸增加，導(dǎo)致環(huán)丁砜加速分解成醛類、SO2及酸性聚合物。常溫下，環(huán)丁砜還會(huì)水解成磺酸等腐蝕性物質(zhì)，這些雜質(zhì)都會(huì)加速設(shè)備腐蝕。

筆者認(rèn)為換熱管泄漏是腐蝕與振動(dòng)共同破壞的結(jié)果。再沸器管束與支撐梁不斷撞擊使換熱管不斷受到磨損，同時(shí)，環(huán)丁砜逐漸生成酸性雜質(zhì)，腐蝕設(shè)備，加速了對(duì)2 mm 碳鋼換熱管的破壞[4]。

3 改進(jìn)措施

3.1 材料改進(jìn)

將再沸器換熱管及管板材料改為S22053 雙相鋼，不僅可以大大提高再沸器管束的耐酸性腐蝕能力，同時(shí)對(duì)不斷積累的氯離子也有良好的抗腐蝕性。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

采用不銹鋼扁鋼對(duì)再沸器管束尾部進(jìn)行約束（扁鋼下端與支撐梁邊側(cè)焊接，上端用螺栓擰緊），限制再沸器上下擺動(dòng)，減小因撞擊而對(duì)換熱管表面造成彎曲磨損。

為了確保蒸汽分布管開孔面積不變，將8 個(gè)大長圓孔改成了96 個(gè)小圓孔，使蒸汽平緩均勻的通入塔內(nèi)。若操作條件允許，還可將蒸汽分布管與再沸器形成一定角度布置（該裝置一期的布置），可避免過大的氣泡與金屬撞擊后破裂產(chǎn)生振動(dòng)。

提高支持板的安裝精度，在滿足安裝要求的情況下盡可能減小支持板與換熱管之間的間隙，減小支持板孔邊緣對(duì)換熱管的剪切磨損。

同時(shí)設(shè)備需定期進(jìn)行吹掃清洗，減少氯離子與酸性雜質(zhì)的聚集程度。

4 結(jié)論

對(duì)再沸器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過管束末端增加約束、改變分布管開孔及提高安裝精度等措施來控制管束與支撐梁的撞擊，從而防止換熱管被振動(dòng)破壞。將管束材料改為S22053 雙相鋼材質(zhì)來提高管束的耐腐蝕能力，延長管束的設(shè)計(jì)壽命與檢修周期。

設(shè)備改進(jìn)后未產(chǎn)生明顯振動(dòng)，再沸器換熱管也未發(fā)生泄漏，至今運(yùn)行良好。