催化裂解裝置穩定塔底重沸器內漏原因分析及解決措施

楊豐華

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812）

1 概述

催化裂解（DCC）裝置吸收穩定系統中穩定塔的作用是分離液化氣及穩定汽油，塔底設有兩臺重沸器E-304A/B，局部工藝流程圖如圖1 所示，其中E-304B 以3.5 MPa 中壓過熱蒸汽作為熱源，型號為BJU1600-4.4/3.52-1166-6/25-4 Ⅰ，殼程介質為穩定汽油，操作溫度為170 ℃，操作壓力為1.23 MPa，管程介質為中壓過熱蒸汽，操作溫度為410 ℃，操作壓力為3.5 MPa。裝置開工1 年后，穩定塔底溫度出現逐漸降低的趨勢，穩定汽油蒸氣壓也伴隨出現不合格的現象，塔頂冷卻負荷增大，塔頂回流罐界位逐漸上漲，分析發現酸性水中油含量也在上漲。結合這些現象，判斷穩定汽油與中壓蒸汽互串，E-304B 出現內漏。隨著運行時間的增長，E-304B 內漏量越來越大，給生產帶來巨大的困難與安全風險。對此，在工藝操作上采取以下措施：控制管程壓力略大于殼程壓力，通過中壓蒸汽減緩泄漏量，避免汽油進入蒸汽凝結水系統；中壓蒸汽定量控制，避免頻繁調節，增加第一重沸器取熱負荷，以降低第二重沸器取熱負荷。經過一系列嚴格的工藝操作，維持裝置運行兩年。

圖1 E-304B 局部工藝流程圖

2 泄漏原因分析

在出現泄漏后，對介質中腐蝕性物質含量進行了分析，認為高酸高氯原油導致的穩定汽油硫含量、氯含量超標是換熱器泄漏的主要原因，在停工消缺中對管束進行了原型式更換，但對泄漏管束的外觀檢查發現，管束折流桿與換熱管的接觸部位，有明顯的摩擦損傷，嚴重處換熱管已被割斷，如圖2 所示。新管束在半年時間后又出現泄漏，確認折流桿與換熱管的摩擦損傷是導致換熱管泄漏的根本原因。

圖2 換熱管損傷狀況

根據管板處堵管的分布，從管束的徑向觀察，泄漏部位主要集中在中部及兩側，如圖3和圖4 所示。從管束的軸向觀察，泄漏主要集中在殼程入口區域，如圖5 所示。

圖3 管束徑向主要泄漏部位分布圖

圖4 管束徑向主要泄漏部位分布圖

圖5 管束軸向主要泄漏部位圖

2.1 結構設計不合理

該換熱器是折流桿式U 形管式換熱器。折流桿式換熱器相比于傳統的折流板式換熱器，優點是管束振動小、傳熱效率高、結垢率低，可以有效降低介質沖擊，提高換熱器的穩定性，使得折流桿式換熱器在抗振性能方面表現出色，能夠較好地抵抗外部振動和機械振動，從而降低設備損壞的風險。相比之下，折流板式換熱器的抗振性能不如折流桿式換熱器，因其支承結構相對較弱，容易受到振動影響，導致設備損壞或性能下降。為了提高其抗振性能，可能需要采取額外的加固措施，如增加支承結構或加強連接等。雖然折流桿式換熱器的抗振性能從原理上要比折流板式換熱器更好，但折流桿式換熱器對設計以及制造精度的要求很高，若存在結構設計不合理或加工精度低，則更容易出現泄漏問題。

2.1.1 殼程入口處未設置防沖板或導流筒

管束防沖板的作用是減少流體的不均勻分布及對管束的沖蝕，可以有效減小流體對管束的沖擊，保護管束不受損壞，從而提高換熱器的穩定性和使用壽命。導流筒的主要作用是減小流體停滯區，增加換熱管有效長度。通過設置導流筒，可以改變流體的流向和流速，使其更加均勻地流過換熱管，提高傳熱效率和換熱效果。同時，導流筒還可以減小流體對換熱管的沖擊和磨損，保護換熱管不受損壞。

重沸器殼程入口穩定汽油流量設計值為610 000 kg/h，在進入殼體后，盡管總體上流量是沿著縱向流動，但是在殼程進出口處，流量仍然主要以橫向流為主，且殼程內介質的氣液兩相使流動環境變得更為復雜，其中氣相設計值為103 023 kg/h，液相設計值為506 977 kg/h。由于殼程入口未設置防沖板或導流筒，氣液兩相介質直接沖擊管束，這使得管束承受了較大的沖擊力。

2.1.2 第一排換熱管與折流圈擋板設計間距過大

在換熱器的設計過程中，折流圈擋板與第一排換熱管的間距是一個重要參數。如果間距過大，會導致流體在流過管束時出現流動死區，這不僅會降低流體的流速，影響傳熱效果，還會增加流體對換熱管的沖擊，加劇換熱管的磨損，從而降低換熱器的使用壽命。

檢查發現第一排換熱管與折流圈擋板距離為35 mm 左右，可以小幅度地自由活動。查閱設計參數發現第一排換熱管與折流圈擋板的間距設計值為41 mm，管束第一排管的設計間距為100 mm，如圖6 所示。而折流圈擋板設計規格（18.0 mm±0.2 mm）（寬）×12 mm（高），如圖7 所示，使得擋板無法有效固定第一排換熱管，導致換熱管的振動，并與折流桿反復摩擦。

圖6 第一排管設計間距

圖7 折流圈擋板設計規格

2.1.3 管束尾部未設置防振設施

U 形管的最低固有頻率fnU[1]：

式中：Uλ為U 形管的頻率常數，當其他參數一定時，增加U 形管尾部支承板后，從GB/T 151—2014 圖C.18～C.23 可查Uλ變大，fnU變大。

根據GB/T 151—2014 中振動的判據，殼程流體為氣體或液體時，當符合下列條件中的任何一條，管束可能發生振動和破壞：

a）卡門旋渦頻率fv與換熱管最低固有頻率fl之比大于0.5。

b）湍流抖振主頻率f1與換熱管最低固有頻率fl之比大于0.5。

一個下午，我都在琢磨于丹教授的話，偉翔說他做了我的奴隸，母親說偉翔并不欠我的，難道我真的做錯了什么嗎？

U 形管管束尾部增加支承板或支承條可以改變換熱管的支承方式和剛度分布，從而提高其最低固有頻率，進而減小上述a）和b）的比值，降低管束振動破壞的可能性。此外，支承板或支承條還可以起到分散流體的振動能量的作用，進一步降低對換熱管的沖擊。

2.1.4 折流桿采用單向支承

對比圓鋼桿單向支承（如圖8 所示）、折流板支承、無支承（僅由管板支承）、圓鋼桿雙向支承（如圖9 所示）四種支承方式對換熱管抗振性能的影響[2]，如表1所示，實驗結果表明，單向支承方式對換熱管的抗振作用非常有限，遠低于雙向支承及折流板支承方式。因此為了增強換熱管的抗振性能，可以更換為折流桿雙支承方式或折流板支承方式。

表1 圓鋼桿支承方式管子振動特性及其與折流板支承方式比較

圖8 折流桿（圓鋼桿）單向支承方式

圖9 折流桿（圓鋼桿）雙向支承方式

綜上所述，由于換熱器結構設計缺陷，管束抗振性不足，加之殼程介質流量大，對管束的激勵作用強，導致換熱管與折流桿反復摩擦出現泄漏、斷裂，為管束泄漏的根本原因。

2.2 腐蝕性介質含量高

（1）根據基礎設計中混合原油平均API 23.7、平均硫含量0.91%、平均酸值1.54 mgKOH/g，實際加工原料性質如表2 所示。

表2 全廠原油性質表

（2）截取一段時間內的化驗分析數據，二級脫后原油含鹽最高6.68 mg/L、硫含量最高0.332%、酸值最高5.27 mgKOH/g，如表3 所示，穩定塔底裂解石腦油硫含量302.78 mg/kg、氯含量6.90 mg/kg，如表4 所示。

表3 二級脫后原油部分樣品數據

表4 裂解石腦油部分樣品數據

以上化驗分析數據表明：

（2）常頂循氯含量高，如表5 所示，說明原油中尚有未脫出的鹽，例如原油中的細微晶體鹽或不可水洗的氯，即有機氯未有效脫出，在加熱爐裂解后進入常壓塔頂和后續供料裝置，如DCC 裝置；

表5 常頂循部分樣品數據

（3）DCC 裝置裂解石腦油產品設計硫化物含量為180 mg/kg，實際裂解石腦油中硫化物含量平均值為242.4 mg/kg，最高達到388 mg/kg，高出設計值2 倍；

（4）DCC 裝置裂解石腦油產品設計氯化物含量不大于0.50 mg/kg，實際平均值達到4.29 mg/kg，最高達到6.17 mg/kg，高出設計值12 倍。

如圖10 所示，通過換熱管橫切面可以看到，橫切面部分有腐蝕痕跡。本換熱器換熱管材質為10#鋼，一是高酸性和高氯離子濃度的環境會顯著加速10#鋼的腐蝕速率，酸性環境中的氫離子（H+）和氯離子（Cl-）都是很強的腐蝕劑。H+會與鋼管表面的鐵（Fe）發生反應，生成可溶性的鐵離子（Fe2+/Fe3+），從而導致鋼管的腐蝕，Cl-則會通過破壞鋼管表面的氧化膜來加速腐蝕過程。二是在高酸高氯環境中，10#鋼的腐蝕疲勞性能也會降低。腐蝕疲勞是指鋼管在交變應力（如振動或循環載荷）和腐蝕介質的共同作用下發生的疲勞破壞。由于氯化物、硫化物的存在，會優先腐蝕金屬的缺陷部位，腐蝕與物理磨損相互促進，最終使換熱管斷裂。

圖10 換熱管橫切面

綜上所述，介質中硫化物、氯化物超過設計值，加速換熱管腐蝕，對換熱管泄漏起到了促進作用。

2.3 操作原因

一是在裝置開工時，管程3.5 MPa 中壓蒸汽作為熱源投入較快，未嚴格按照操作規程進行換熱器的投用，換熱器升壓、升溫不當；二是正常生產時不注意操作方法，3.5 MPa 中壓蒸汽流量調整頻繁，導致換熱器的運行狀態不穩定，管束的振動程度加劇。此外，3.5 MPa 中壓蒸汽在管程內存在氣液兩相，也是加劇管束振動的因素。

3 解決措施與效果驗證

（1）優化換熱器結構。為了降低管束在運行中的振動，將此換熱器的管束類型從折流桿U 形管式更改為折流板浮頭式，為了進一步減弱振動，在尾部設置了防振板和支承板。

（2）加強腐蝕監測，定期對裝置內各部位介質進行采樣，分析硫化物、氯化物、鐵離子等含量，在腐蝕介質含量升高和超標時做出預警，在工藝上予以調整。

（3）在開工階段，要嚴格按照換熱器操作規程進行操作，中壓蒸汽投用前充分脫水，避免氣液兩相帶來的管束振動，投用時要緩慢，升溫、升壓要平穩。在正常運行階段，中壓蒸汽流量調節幅度要小，操作要平穩，保證換熱器工況穩定。

新換熱器投入運行一年后狀態穩定，未出現管束泄漏現象。相比于泄漏狀態時，3.5 MPa 中壓蒸汽用量約減少5 t/h，每年節約成本約800 萬元。