兩套延遲焦化裝置的風(fēng)險比較

朱晏萱，柏明清

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，新疆獨山子833600;2.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆獨山子833600)

某石化公司作為基于風(fēng)險評估的設(shè)備檢驗技術(shù)(Risk Based Inspection，RBI)試點單位，已先后開展十余套裝置的風(fēng)險評估工作。在歷次檢維修方案制定時，充分考慮了評估裝置設(shè)備的風(fēng)險等級和檢驗策略，為裝置開展風(fēng)險管理，預(yù)防或減少設(shè)備失效提供一個可靠的方法。該公司兩套延遲焦化裝置先后進(jìn)行過RBI風(fēng)險評估，為了更好的使用RBI技術(shù)，探討有效的設(shè)備安全管理方法，有必要對同類型裝置的風(fēng)險情況進(jìn)行對比，找出影響裝置風(fēng)險水平差異的因素，為裝置設(shè)備管理提供參考。

1 延遲焦化裝置的基本情況

兩套裝置的設(shè)計加工量分別為600 kt/a和1.2 Mt/a，原料為減壓渣油，1.2 Mt/a延遲焦化裝置由于加工量提高了一倍，其設(shè)備、管道數(shù)量也增加了數(shù)倍，兩套裝置的基本情況見表1。

表1 兩套裝置情況對比Table 1 Comparing between two units

2 風(fēng)險對比情況

2.1 裝置風(fēng)險情況對比

對兩套裝置所有系統(tǒng)內(nèi)的壓力容器、壓力管道進(jìn)行風(fēng)險統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，600 kt/a延遲焦化裝置的設(shè)備分布在四個風(fēng)險等級中，中風(fēng)險等級的壓力容器所占數(shù)目最多，而1.2 Mt/a延遲焦化裝置的設(shè)備僅分布在低風(fēng)險、中風(fēng)險和中高風(fēng)險等級中，無高風(fēng)險設(shè)備。為便于橫向比較兩套裝置的風(fēng)險分布情況，專門制作設(shè)備分布比例圖(見圖2)。由圖2可以看出，1.2 Mt/a延遲焦化裝置設(shè)備的風(fēng)險比重主要集中在中風(fēng)險和低風(fēng)險等級中，而600 kt/a延遲焦化裝置設(shè)備的風(fēng)險比重在中風(fēng)險、中高風(fēng)險及高風(fēng)險等級上均要高于1.2 Mt/a延遲焦化裝置。

圖1 設(shè)備風(fēng)險數(shù)量對比Fig.1 Comparing for risk number of equipment

圖2 設(shè)備分布比例對比Fig.2 Comparing for distributing of equipment

2.2 主要設(shè)備風(fēng)險對比

將兩套裝置中的重要設(shè)備焦炭塔、分餾塔、穩(wěn)定塔/吸收塔及汽提塔等的風(fēng)險等級進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。由表2可以看出，600 kt/a延遲焦化裝置的主要設(shè)備風(fēng)險等級顯著高于1.2 Mt/a延遲焦化裝置，焦炭塔及分餾塔的風(fēng)險等級差異較大。

表2 主要設(shè)備風(fēng)險情況Table 2 Risk for important equipment

2.3 主要損傷機(jī)理對比

RBI軟件對兩套裝置的損傷機(jī)理計算表明，主導(dǎo)兩套裝置設(shè)備發(fā)生失效的主要潛在損傷機(jī)理有高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)、酸性水腐蝕、氫致開裂(HIC)、定向應(yīng)力氫誘導(dǎo)開裂(SOHIC)等，經(jīng)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)兩套裝置設(shè)備發(fā)生以上損傷的比例差別不大，但在高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕和HIC/SOHIC比重上存在5%左右的差異，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 主要損傷機(jī)理分布情況Table 3 Distributing for main damage mechanism

在焦炭塔工段，設(shè)備的主要潛在損傷機(jī)理是高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕，當(dāng)焦炭塔內(nèi)表面被結(jié)焦層覆蓋后，發(fā)生這種失效的可能性降低，實際使用中發(fā)現(xiàn)，對于老裝置的焦炭塔，內(nèi)外表面裂紋和金相組織的變化需要關(guān)注;同時須定期測量設(shè)備的變形量。分餾塔工段中分餾塔底主要的損傷機(jī)理為高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕，頂部為酸性水腐蝕及 HIC/SOHIC，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%Cr系列鋼均有較好的耐蝕性能［1］，使用及檢維修過程中，需重點關(guān)注分餾塔的接管、法蘭等部件。

3 風(fēng)險差異分析及風(fēng)險管理建議

3.1 原料分析

兩套裝置的原料組成主要為減壓渣油，減壓渣油中的硫、氮、環(huán)烷酸等是裝置中的主要腐蝕介質(zhì)，兩套裝置減壓渣油中的上述腐蝕介質(zhì)含量變化不大，所以對相同材料而言，介質(zhì)中腐蝕流差異引起的腐蝕失效可能性的變化不大。

3.2 資料完整情況分析

600 kt/a延遲焦化裝置的投用時間較早，由于各種原因，在進(jìn)行RBI風(fēng)險評估時搜集的有效數(shù)據(jù)資料僅占所有設(shè)備的60%，加熱爐、焦炭塔、分餾塔等主要設(shè)備資料比較齊全，管線類資料丟失較嚴(yán)重，且裝置存在材料代用情況較多，對于資料不全的設(shè)備，材料一般按保守選擇，造成該裝置的整體風(fēng)險水平較高。1.2 Mt/a延遲焦化裝置是近幾年剛投用的新裝置，設(shè)備基礎(chǔ)資料齊全，且隨著設(shè)計、制造、安裝水平的提高，裝置的整體風(fēng)險水平較600 kt/a延遲焦化裝置要低。

3.3 材料因素分析

選取兩套裝置的主要設(shè)備進(jìn)行對比(見表4)，焦炭塔的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選材一般為20g［2］，對于高硫原油裝置，設(shè)計選材標(biāo)準(zhǔn)［3］規(guī)定塔體上部為15CrMoR(碳鋼)+0Cr13(Al)，下部為15CrMoR(碳鋼)。從新裝置的選材看，焦炭塔頂部14Cr1MoR+0Cr13Al的材料能夠有效抵抗HCl+H2S+H2O型腐蝕和高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕，設(shè)備的失效可能性降低，且14Cr1MoR因為Cr和Mo的添加使材料的高溫持久性和抗蠕變性能得到提高［4］，老裝置中筒體部分使用 20g材質(zhì)，20g在400℃以上使用時，即可產(chǎn)生蠕變［5］，所以老裝置焦炭塔處于蠕變損傷環(huán)境下。同時在老裝置的使用中發(fā)現(xiàn)，雖然焦炭塔設(shè)備選材部分有20g，但由于設(shè)備內(nèi)表面被結(jié)焦層覆蓋，發(fā)生高溫硫/環(huán)烷酸失效的可能性并不高，只是發(fā)生了因溫差應(yīng)力導(dǎo)致的表面裂紋較多，也發(fā)生了長時間運行造成塔體本身的蠕變變形。在SH/T3096-2001設(shè)計導(dǎo)則中，分餾塔的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計選材為碳鋼+0Cr13(Al)，新裝置中分餾塔襯里層0Cr13Al除了能有效抵抗高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕及酸性水腐蝕，還有較好的抗SCC能力，1Cr18Ni9Ti和0Cr13(Al)的抗高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕能力基本相同，使用20R+0Cr13Al在選材上更經(jīng)濟(jì)，只是增加了襯里層剝離的風(fēng)險。吸收塔由于材質(zhì)相同，評價出的失效可能性及風(fēng)險等級也相同，汽提塔則由于新裝置選擇碳鋼+0Cr13，能夠有效抵抗高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕，失效可能性降低，風(fēng)險等級由同類型老裝置的中高風(fēng)險降為低風(fēng)險。

從新舊兩套裝置主要設(shè)備的材料對比可以看出，由于新裝置設(shè)備材料的升級，設(shè)備抵抗介質(zhì)腐蝕、開裂能力的提高，設(shè)備風(fēng)險也降低到較低的水平。

表4 主要設(shè)備基本情況Table 4 Information for main equipment

3.4 檢驗情況分析

600 kt/a延遲焦化裝置投用時間較早，已先后進(jìn)行多次停工檢驗，在最近幾次檢驗中，先后發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外表面裂紋多處，塔體均呈現(xiàn)不同程度的鼓凸變形，且金相組織中出現(xiàn)輕度或中度的珠光體球化現(xiàn)象，分餾塔曾因塔體接管材質(zhì)問題引起非計劃停工，而在管線檢驗中也發(fā)現(xiàn)多起因材料代用導(dǎo)致的腐蝕減薄情況。1.2 Mt/a延遲焦化裝置在第一次檢修中未發(fā)現(xiàn)主要設(shè)備的腐蝕、減薄、開裂等失效問題，且該裝置運行使用過程較平穩(wěn)。從運行過程和檢驗的結(jié)果來看，新舊兩套裝置的風(fēng)險水平能夠反映裝置的實際安全狀況。RBI評估的可靠性依賴于設(shè)備管道基礎(chǔ)資料的完整性，老裝置因為選材的標(biāo)準(zhǔn)問題、安裝改造過程的規(guī)范問題，導(dǎo)致設(shè)備風(fēng)險水平較真實水平差異較大。

3.5 風(fēng)險管理

3.5.1 高溫硫腐蝕

高溫硫腐蝕一般發(fā)生在240～500℃，主要是硫及硫的化合物對金屬材料造成的化學(xué)腐蝕，加熱爐管、焦炭塔、分餾塔底部及其集油箱部位、相關(guān)設(shè)備及管線等均存在潛在的失效可能，從600 kt/a焦化裝置分餾塔接管失效的數(shù)據(jù)來看［6］，高溫硫腐蝕的腐蝕速率基本符合API581－2000的數(shù)據(jù)，應(yīng)以18-8，Cr5Mo、碳鋼的優(yōu)先順序選材。1.2 Mt/a焦化的主要容器、管線在此溫度下的選材基本以18-8和Cr5Mo為主，從風(fēng)險評價結(jié)果看，風(fēng)險都不高，運行過程中只需選擇代表性測厚點進(jìn)行定期監(jiān)測即可。600 kt/a焦化裝置多以碳鋼和CrMo鋼為主，一些高溫碳鋼管線腐蝕尤為嚴(yán)重，裝置如長周期運行須在停工時進(jìn)行材質(zhì)升級，對于不能升級的應(yīng)重點進(jìn)行定點壁厚監(jiān)測，測厚部位選擇在盲管、高流速、引起變速的彎頭、大小頭、三通等區(qū)域以及易產(chǎn)生湍流渦流等部位。高溫硫環(huán)境下伴有環(huán)烷酸時，腐蝕會加劇，從600 kt/a焦化裝置的失效管線的外觀情況看，未見明顯的溝槽狀環(huán)烷酸腐蝕特征，但原料中酸值較大時，須擴(kuò)大測厚檢測比例。

在600 kt/a焦化裝置中加熱爐管采用Cr5Mo襯Al效果較好，1.2 Mt/a焦化裝置爐管由于新投入使用不久，未見異常，加熱爐爐管在一些企業(yè)的實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)煙氣露點腐蝕［7］，在停工檢修中需關(guān)注爐管外部腐蝕情況。

3.5.2 低溫部位腐蝕

在分餾塔頂部的塔壁及塔盤等部位主要以低溫濕硫化氫腐蝕為主，頂部及出口管線的腐蝕為HCl+H2S+H2O和酸性水腐蝕，對于321和碳鋼襯0Cr13Al材料而言，具有較好的耐低溫濕硫化氫腐蝕能力，所以分餾塔頂部在新舊兩套裝置上風(fēng)險較低。HCl+H2S+H2O型腐蝕和酸性水腐蝕對碳鋼類材料影響較大，雖然分餾塔頂注入NH3，使得HCl+H2S的腐蝕減弱，但由于NH3的存在使分餾塔頂部及出口管線存在點蝕、坑蝕等局部腐蝕的可能性增加，故在使用過程中，應(yīng)加大該位置定點測厚的比例。老裝置設(shè)備本體用材經(jīng)過多年改造升級，設(shè)備本體風(fēng)險呈下降趨勢，使用過程中應(yīng)重點關(guān)注與設(shè)備本體相連接的接管、法蘭、儀表接口等部位。

低溫濕H2S腐蝕會帶來SCC和HIC/SOHIC，SCC主要發(fā)生在強(qiáng)度較高的材料上，降低硬度和消除殘余應(yīng)力可以避免SCC的發(fā)生，HIC/SOHIC屬氫致開裂，與材料殘余應(yīng)力水平無關(guān)，與材料中S含量有關(guān)，同時與氰化物關(guān)系密切，氰化物能夠促進(jìn)H2S的腐蝕，所以在分餾塔頂設(shè)置采樣點，定期監(jiān)測氰化物的含量顯得很必要。

3.5.3 焦炭塔的壽命

焦炭塔屬間歇性操作設(shè)備，由于溫差應(yīng)力的作用易產(chǎn)生疲勞裂紋、塔體變形等問題，600 kt/a焦化裝置4臺焦炭塔經(jīng)過近20余年的使用已產(chǎn)生明顯的塔體變形。雖然1.2 Mt/a焦化裝置采用了14Cr1MoR+0Cr13材料，較老裝置采用的20g+13CrMo44耐蝕性有很大的提高，但影響焦炭塔壽命主要是冷卻操作過程。快冷在提高物料處理量的同時對材料的損傷作用也很明顯，所以尋找工藝上合適的處理量從長遠(yuǎn)來看，能夠增加焦炭塔的使用壽命，且減少因設(shè)備變形增加的檢驗成本和停工時間成本。

3.5.4 風(fēng)險評估報告的使用

近幾年，全國各大石油石化企業(yè)均積極進(jìn)行了RBI技術(shù)應(yīng)用，RBI風(fēng)險評估報告已經(jīng)在檢驗單位、使用單位產(chǎn)生了明顯的應(yīng)用效果，但就基層單位的應(yīng)用情況看，遠(yuǎn)未達(dá)到RBI在中國推廣之初預(yù)期的目的。使用單位的基層管理人員素質(zhì)參差不齊，報告中的風(fēng)險結(jié)論、腐蝕機(jī)理、檢驗策略等內(nèi)容不知如何應(yīng)用到實際的管理中，一些企業(yè)只進(jìn)行一次風(fēng)險評估后無后續(xù)的再評估過程，間接造成了資源浪費，所以使用單位應(yīng)該積極與評估單位溝通使用效果，增加基層單位設(shè)備管理人員材料、腐蝕等方面的培訓(xùn)工作，使設(shè)備管理人員能夠運用RBI成果有的放矢地進(jìn)行日常維護(hù)管理，減少不必要的檢維修成本。

4 結(jié)論

(1)通過兩套焦化裝置的風(fēng)險對比分析發(fā)現(xiàn)，1.2 Mt/a延遲焦化裝置無高風(fēng)險設(shè)備，風(fēng)險集中在低風(fēng)險和中風(fēng)險等級，中高風(fēng)險設(shè)備所占比重較600 kt/a延遲焦化裝置低，且新裝置主要設(shè)備風(fēng)險低于老裝置。

(2)設(shè)備材質(zhì)是影響風(fēng)險差異的關(guān)鍵因素，在工藝、原料變化不大的情況下，材質(zhì)的合理選擇能夠顯著降低設(shè)備發(fā)生失效的可能性，從而降低設(shè)備風(fēng)險。復(fù)合鋼板的廣泛使用不僅能夠有效降低失效發(fā)生的可能性，還能降低設(shè)備制造成本。影響兩套裝置的風(fēng)險差異因素還包含資料完整性、管理情況、投用時間、檢驗有效性等，裝置的實際風(fēng)險還包含設(shè)計的不合理問題、安裝制造時材料的不規(guī)范代用問題等，所以新裝置在設(shè)計、制造環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的風(fēng)險要低于老裝置。

(3)通過風(fēng)險評估結(jié)果，可以針對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行有效地監(jiān)測，減少設(shè)備失效事故的發(fā)生。企業(yè)基層管理人員應(yīng)積極開展風(fēng)險管理工作，加大關(guān)于RBI評估方面的培訓(xùn)工作，為RBI技術(shù)更好的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

［1］ API581 －2000.American Prtroleum Institute，Risk-based Inspection Base Resource Document［S］.

［2］ 孫文立，趙俊芳.石油化工廠實用材料手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.478-479.

［3］ SH/T3096－2001，加工高硫原油重點裝置主要設(shè)備設(shè)計選材導(dǎo)則［S］.

［4］ 黃建中，左禹.材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:135-138.

［5］ 中國石化設(shè)備管理協(xié)會.石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊［M］.北京:中國石化出版社，2001:122.

［6］ 柏明清.RBI技術(shù)在焦化裝置的應(yīng)用問題探討［J］.壓力容器，2010，27(5):60-63.

［7］ 孫愛萍，馬永鵬，劉惠敏.焦化加熱爐硫腐蝕分析與防腐蝕措施［J］. 腐蝕與防護(hù)，2011，32(12):991-992.