DCC裝置穩(wěn)定塔重沸器管束泄漏原因分析與對策

李 貴，王勝潮，楊豐華，鐘海博

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

某石化企業(yè)2.2 Mt/a催化裂解(DCC)裝置采用中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司研發(fā)的DCC-plus專利技術(shù)[1-5]，以常壓渣油和加氫裂化尾油為原料，以乙烯、丙烯等低碳烯烴為目的產(chǎn)品，副產(chǎn)富含芳烴的裂解石腦油[6]。裝置主要包括反應(yīng)-再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和煙氣脫硫系統(tǒng)。自2016年6月裝置首次開工以來，穩(wěn)定塔塔底重沸器多次發(fā)生泄漏，不僅影響經(jīng)濟效益，而且嚴(yán)重影響裝置的長周期安全運行。為此，對穩(wěn)定塔塔底重沸器泄露原因進行分析，并進行穩(wěn)定塔工藝參數(shù)優(yōu)化和重沸器改造，以下對此進行介紹。

1 工藝流程簡介

DCC裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定塔的作用是將脫乙烷汽油進一步分離出液化氣和蒸氣壓合格的穩(wěn)定汽油，工藝流程見圖1。穩(wěn)定塔塔底設(shè)有2臺重沸器，第一、第二重沸器管程分別以分餾塔第二中段循環(huán)油(簡稱分餾二中油)、3.5 MPa中壓過熱蒸汽作為熱源，殼程介質(zhì)為穩(wěn)定汽油，其中第二重沸器管程、殼程的操作壓力分別為4.0 MPa和1.49 MPa。

圖1 穩(wěn)定塔工藝流程示意

2 存在的問題及應(yīng)急處理措施

2.1 存在的問題

在裝置首次開工半年后，穩(wěn)定塔出現(xiàn)了若干問題。

(1)在加工負(fù)荷不變的情況下，穩(wěn)定塔塔底溫度變化情況見圖2。從圖2可以看出，隨著裝置運行時間的增加，穩(wěn)定塔塔底溫度出現(xiàn)緩慢下降現(xiàn)象，由175 ℃逐步降低，最低至158 ℃。穩(wěn)定汽油蒸氣壓變化情況見圖3。從圖3可以看出，穩(wěn)定汽油蒸氣壓經(jīng)常出現(xiàn)不合格現(xiàn)象(最高達80 kPa)。

圖3 重沸器改造前后穩(wěn)定汽油蒸氣壓變化趨勢

(2)第二重沸器熱源3.5 MPa中壓過熱蒸汽耗量明顯增加，由22.4 t/h增加到28.2 t/h，造成穩(wěn)定塔塔頂冷卻負(fù)荷明顯增大。夏季塔頂空氣冷卻器全開仍不能滿足冷卻要求，嚴(yán)重制約了裝置的加工負(fù)荷。另外，塔頂回流罐罐底酸性水界位逐漸上漲，界位閥開度由0升至約20%。

(3)凝結(jié)水含油量顯著上升，油質(zhì)量濃度由0.1 mg/L上升至4.11 mg/L，同時發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水有明顯油氣味。

綜合以上現(xiàn)象，確定穩(wěn)定塔第二重沸器管束發(fā)生內(nèi)漏，存在中壓蒸汽和穩(wěn)定汽油互串現(xiàn)象，造成穩(wěn)定汽油帶水，凝結(jié)水帶油。2016年6月至2021年4月兩個生產(chǎn)周期內(nèi)，重沸器先后發(fā)生3次管束泄漏，被迫采取非常規(guī)應(yīng)急措施維持生產(chǎn)。2020年4月因管束泄漏情況加劇，裝置被迫停工消缺。

2.2 應(yīng)急處理措施

2.2.1調(diào)整工藝操作參數(shù)，維持平穩(wěn)生產(chǎn)

(1)采取控制重沸器管程壓力略大于殼程壓力的應(yīng)急辦法減輕泄漏量。控制凝結(jié)水緩沖罐壓力稍高于穩(wěn)定塔塔底壓力，壓差約0.06 MPa，利用中壓蒸汽封住泄漏點。為保證凝結(jié)水緩沖罐壓力盡可能平穩(wěn)，將凝結(jié)水緩沖罐的控制方式由原來的液位控制改為壓力控制(見圖1)，同時凝結(jié)水緩沖罐采取滿液位操作。即允許泄漏的少量蒸汽進入穩(wěn)定塔，抑制穩(wěn)定汽油竄入凝結(jié)水。泄漏的蒸汽經(jīng)過塔頂冷凝后從回流罐液包排出，不會對液化氣產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

(2)優(yōu)化穩(wěn)定塔操作參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格。

為了保證穩(wěn)定塔的正常操作，使液化氣及穩(wěn)定汽油產(chǎn)品質(zhì)量控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，防止管束內(nèi)漏擴大出現(xiàn)非計劃停工事故，對穩(wěn)定塔操作參數(shù)進行了優(yōu)化，如表1所示。從表1可以看出，穩(wěn)定塔操作優(yōu)化后，重沸器管/殼程壓差降低0.02 MPa，凝結(jié)水泄漏量減少1.3 t/h，有效抑制了管束泄漏。管束泄漏期間，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量合格，重沸器3.5 MPa蒸汽消耗量較大，造成了能量浪費。

表1 穩(wěn)定塔優(yōu)化前后及重沸器改造后操作參數(shù)對比

2.2.2監(jiān)控重沸器泄漏量，保證凝結(jié)水系統(tǒng)安全運行

(1)監(jiān)控重沸器管、殼程壓差，防止汽油和凝結(jié)水互竄。定時由放空閥檢查凝結(jié)水含油情況，若發(fā)現(xiàn)油氣味或化驗分析含油質(zhì)量濃度大于1 mg/L，及時調(diào)整凝結(jié)水緩沖罐和穩(wěn)定塔塔底的壓差。

(2)重沸器3.5 MPa中壓蒸汽采取定量控制，避免因頻繁調(diào)節(jié)導(dǎo)致管束振動加劇，同時增加第一重沸器分餾二中油取熱負(fù)荷，以達到降低第二重沸器運行負(fù)荷的目的。

(3)加強穩(wěn)定塔塔底及進料層靈敏板溫度的監(jiān)控。根據(jù)溫度變化判斷重沸器內(nèi)漏情況，并據(jù)此及時調(diào)整工藝參數(shù)以抑制泄漏擴大。

通過這種方式維持重沸器平穩(wěn)運行兩年左右，因此對于臨近檢修的裝置不需要額外停工搶修重沸器，待停工檢修時統(tǒng)一處理[7]。

3 管束泄漏的原因分析

2018年12月大檢修期間，發(fā)現(xiàn)重沸器13根管束泄漏，并未查出泄漏原因，只進行了堵管處理。2019年1月至2021年4月第二個生產(chǎn)周期內(nèi)，重沸器先后發(fā)生2次管束泄漏。2020年4月因管束泄漏加劇，裝置停工消缺，在對重沸器更換芯子時發(fā)現(xiàn)，舊芯子部分管束出現(xiàn)異常磨損斷裂(見圖4)。根據(jù)換熱管泄漏位置的分布，磨損斷裂的管束主要集中在殼程入口第一排換熱管(見圖5)。

圖4 管束斷裂和磨損情況

圖5 管束主要泄漏部位

2021年4月大檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)重沸器多根管束損壞嚴(yán)重(與2020年4月消缺時現(xiàn)象相同)，且管束與折流桿接觸位置有明顯的磨損切口，甚至已經(jīng)斷裂。經(jīng)初步分析，造成這種現(xiàn)象的主要原因是振動管束與折流桿不斷發(fā)生碰撞摩擦，折流桿對管束產(chǎn)生鋸割作用導(dǎo)致管束出現(xiàn)切口，直至斷裂[8]。因此，可以確定管束損壞、斷裂是造成重沸器泄漏的主要原因。

3.1 管束振動、碰撞摩擦損壞

3.1.1管束產(chǎn)生振動、碰撞摩擦損壞的原因

(1)重沸器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。該重沸器管束采用的是折流桿式U型管束，殼程流體雖然總體上為縱向流，但在殼程進出口區(qū)域仍然以橫向流占主導(dǎo)地位，由于橫向流對管子的激勵作用較強，而折流桿對管子的支承作用較弱，因此折流桿換熱器仍可能在殼程流體進出口區(qū)域發(fā)生管子振動破壞[9]。尤其是在殼程流量大、較強烈的激勵環(huán)境下，容易造成管束振動、折流桿與換熱管反復(fù)碰撞摩擦，產(chǎn)生鋸割作用，導(dǎo)致?lián)Q熱管減薄、泄漏甚至斷裂。

(2)殼程入口處未設(shè)置防沖板或?qū)Я魍病Ｖ胤衅鳉こ倘肟诜€(wěn)定汽油流量設(shè)計值為610 t/h，在進入殼體后，殼程內(nèi)介質(zhì)處于氣液兩相(設(shè)計值氣相122 t/h，液相488 t/h)，汽化率達20%。殼程入口未設(shè)置防沖板或?qū)Я魍玻瑢?dǎo)致管束受到的沖擊較大。根據(jù)2020年4月更換芯子后僅半個月再次發(fā)生泄漏，以及部分?jǐn)嗫跓o明顯摩擦痕跡的情況，判斷部分管束斷裂是由于介質(zhì)汽化形成向上的沖擊力，導(dǎo)致管束與折流桿發(fā)生強烈碰撞造成的。

(3)第一排換熱管與折流圈擋板間距過大。第一排換熱管設(shè)計間距為100 mm(見圖6)，折流圈擋板設(shè)計規(guī)格為18 mm×12 mm(見圖7)，折流圈擋板與換熱管的間距達到41 mm，擋板對第一排換熱管的固定作用有限。另外，檢查中發(fā)現(xiàn)第一排換熱管處于明顯的輕微自由活動狀態(tài)。

圖6 第一排管設(shè)計間距

圖7 折流圈擋板設(shè)計規(guī)格

(4)折流桿單向支承的局限性。胡明輔等[9]對比了無支承(僅由管板支承)、圓鋼桿單向支承、圓鋼桿雙向支承、折流板支承4種支承方式對于管子抗振性能的影響，若僅從機械抗振角度來看，折流桿換熱器對管子的支承方式遠(yuǎn)不如折流板換熱器的支承方式有效。由于折流桿對管子的支承作用較弱，管束振動會在第一排管子處產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力，對換熱管產(chǎn)生鋸割作用(見圖4)，長時間的磨損、減薄而導(dǎo)致泄漏，且泄漏位置主要集中在換熱管與折流桿接觸的部位。

3.1.2工藝介質(zhì)流體傳熱產(chǎn)生振動

穩(wěn)定汽油進入重沸器底部進行換熱，部分介質(zhì)發(fā)生汽化，造成殼程介質(zhì)出現(xiàn)局部流型復(fù)雜、不穩(wěn)定的兩相流狀態(tài)。由于汽化后引起的流體流速增加，換熱管將產(chǎn)生繞流的漩渦脫落、紊流振動和流體彈性激振等問題[10]。旋渦交替產(chǎn)生和脫落時，流體對管束會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力，產(chǎn)生周期性的升力與阻力，導(dǎo)致管子振動。當(dāng)流體誘發(fā)振動的頻率與管束的固有頻率接近時，會造成管束振動急劇增大，導(dǎo)致管束的損壞。

3.1.3重沸器氣相返塔管線無吸收振動設(shè)計

重沸器氣相返塔管線直接與穩(wěn)定塔連接，流體產(chǎn)生的振動大部分被管束吸收，間接加劇了振動。

3.2 腐蝕問題

檢修時打開設(shè)備發(fā)現(xiàn)，管束外表面存在點蝕現(xiàn)象且表面螺紋腐蝕損耗嚴(yán)重，在管束外表面和管束之間堆積了較多鐵屑和溶解性鹽等雜質(zhì)，管束橫切面有明顯腐蝕痕跡。

經(jīng)分析，穩(wěn)定汽油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為242.4 μg/g，長期超過設(shè)計值(180 μg/g)。在催化裂化反應(yīng)溫度條件下原料油中的硫化物生成H2S，原料油中有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%的氮化物轉(zhuǎn)化為HCN，在吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的溫度和水存在條件下，形成了HCN-H2S-H2O型腐蝕環(huán)境。通常管束存在應(yīng)力，在HCN-H2S-H2O環(huán)境下很容易產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂[11]。因此介質(zhì)中硫化物超標(biāo)和汽油帶水加速了換熱管腐蝕，也是換熱管泄漏的原因之一。

3.3 操作原因

3.5 MPa中壓過熱蒸汽進入管程換熱后存在氣液兩相，流型比較復(fù)雜，操作不當(dāng)會加劇管束的振動。開工投用重沸器時加熱蒸汽未徹底脫水、升溫過快，以及正常生產(chǎn)時頻繁調(diào)整蒸汽量，均會造成重沸器運行工況不穩(wěn)定，使管束振動加劇。

4 采取的措施

(1)改造重沸器結(jié)構(gòu)和氣相返塔管線。經(jīng)與設(shè)計院溝通，對重沸器結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，將重沸器結(jié)構(gòu)由折流桿U形管式改為折流板浮頭式，并設(shè)置支持板、防振板，減輕氣相介質(zhì)對管束的沖擊，降低管束在運行過程中的振動。其次，重沸器氣相返塔管線增加U形膨脹彎設(shè)計，吸收部分設(shè)備振動。

(2)優(yōu)化原料配比，減少高硫原油摻煉比例，嚴(yán)格控制混合原料油硫含量在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)。

(3)在開工階段重沸器投用時，中壓蒸汽充分脫水，重沸器及蒸汽管線提前預(yù)熱，嚴(yán)格控制升溫、升壓速率，避免水擊和大幅波動造成管束振動。

(4)在正常運行階段，中壓蒸汽流量采取定值控制，盡量使用第一重沸器調(diào)節(jié)穩(wěn)定塔塔底溫度。

5 采取措施后的效果

5.1 重沸器實現(xiàn)安全平穩(wěn)長周期運行

表2為重沸器改造前后產(chǎn)品質(zhì)量對比。從圖2、圖3和表2可以看出，改造后穩(wěn)定塔塔底溫度控制平穩(wěn)，維持在171 ℃左右，塔板分離效果理想，液化氣、穩(wěn)定汽油產(chǎn)品質(zhì)量合格且控制良好。重沸器改造后已安全運行超過一年時間，未發(fā)現(xiàn)泄漏跡象，保證了裝置安全高效長周期運行。

表2 改造前后產(chǎn)品質(zhì)量對比

5. 2 節(jié)能效果顯著

在裝置處理量不變的情況下，重沸器改造前后中壓蒸汽消耗量變化趨勢見圖8。從圖8可以看出，重沸器改造后中壓蒸汽消耗量明顯下降，由28.2 t/h下降到20.5 t/h。另外，由于穩(wěn)定汽油不再帶水，第一重沸器取分餾熱量減少，油漿蒸汽發(fā)生器多發(fā)蒸汽約2 t/h，合計節(jié)約中壓蒸汽約9.7 t/h。中壓蒸汽價格按293.26元/t計算，裝置運行時間8 400 h/a，節(jié)能產(chǎn)生效益約2 390萬元/a。

圖8 重沸器改造前后中壓蒸汽流量變化趨勢

5.3 消除安全隱患，實現(xiàn)裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)

重沸器改造后，裝置夏季實現(xiàn)了滿負(fù)荷生產(chǎn)，而且穩(wěn)定塔塔頂冷卻負(fù)荷還有部分余量，增加了操作彈性和抗風(fēng)險能力。另外，重沸器泄漏問題解決后，凝結(jié)水系統(tǒng)恢復(fù)正常，徹底消除了安全生產(chǎn)隱患。

6 結(jié)論及建議

(1)折流桿式重沸器管束抗振性能較弱，管束與折流桿不斷產(chǎn)生碰撞摩擦，產(chǎn)生鋸割作用是導(dǎo)致管束磨損、斷裂的主要原因。

(2)通過優(yōu)化設(shè)計重沸器結(jié)構(gòu)及氣相返塔線走向，不僅解決了重沸器管束由于振動產(chǎn)生的磨損、斷裂泄漏問題，而且節(jié)能產(chǎn)生經(jīng)濟效益2 390 萬元/a，保證了裝置的長周期安全高效運行。

(3)對介質(zhì)流量大、汽化率較高、易引起管束振動的環(huán)境，建議采用折流板式換熱器。同時還應(yīng)考慮在殼程介質(zhì)入口處增加防沖板、導(dǎo)流筒或分流器等設(shè)備，以降低流體的流速，避免流體對管束的直接沖擊。

(4)對于已經(jīng)發(fā)生泄漏的重沸器管束，通過合理控制管/殼程壓差和精細(xì)操作，可有效降低管束泄漏程度，維持正常安全生產(chǎn)。