原油加熱爐盤管清洗研究與應(yīng)用

吳志虎，張 勇，弓朋斌

（西南油氣田塔里木油氣工程分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

1 原油加熱爐現(xiàn)狀分析

某天然氣處理站原油穩(wěn)定裝置原油加熱爐負(fù)責(zé)加熱原油后分離出原油中的輕組分進(jìn)行原油穩(wěn)定，是此原油穩(wěn)定裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備。原油加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷14.47 MW（采用單排管單面輻射圓筒型立式加熱爐），中心圓直徑6932 mm、總高39 414 mm；原油分4 路在對(duì)流室預(yù)熱進(jìn)輻射室加熱后出爐（4 進(jìn)4出每根獨(dú)立流程，每根管容積約4 m3）。加熱爐于2005 年建成投運(yùn)，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，爐內(nèi)各原油支管線出現(xiàn)了明顯的偏流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，初步判斷偏流的成因是加熱管內(nèi)部結(jié)垢。根據(jù)管內(nèi)流體判斷，結(jié)垢物應(yīng)以原油高溫積碳生成的垢為主。原油加熱爐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 原油加熱爐結(jié)構(gòu)示意

2 垢樣分析、實(shí)驗(yàn)

因加熱爐爐管內(nèi)垢樣只有割破爐管才能取出，因此選用從爐管出口匯管進(jìn)泵前的過(guò)濾器內(nèi)取出的脫落固體垢（此泵過(guò)濾器經(jīng)常堵，堵塞物判斷為爐管脫落垢樣）作為試樣，垢樣呈片狀、黑色、厚度約2.0 mm，質(zhì)地堅(jiān)硬、密度大，浸泡不溶于水、酸液，難溶于堿液中，見圖2。

圖2 過(guò)濾器取出的垢樣

采用EDAX 及X-Ray 儀對(duì)垢樣成分進(jìn)行分析，垢物中含有較多的O、Ca、S 和Fe 元素及少量的Na、Mg、Al 和Si元素，其主要成分為CaSO4，見表1。

表1 垢樣成分分析結(jié)果

3 溶垢實(shí)驗(yàn)

3.1 清洗劑溶解性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。使用1#、2#、3#、4#垢樣加入清洗劑+酸洗液后，通過(guò)3 次浸泡清除后，3#清垢劑除垢率達(dá)99%以上，符合清洗除垢標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖3。

圖3 第三次清洗后3#、4#樣品

表2 不同清洗劑溶解性驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 酸洗液的安全性驗(yàn)證

酸洗液緩蝕性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，其中，靜態(tài)腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)采用兩組平行樣取平均值（6 h），對(duì)比腐蝕速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：腐蝕速率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3547—2011 規(guī)定的6 g/m2·h，見圖4。

圖4 靜態(tài)緩蝕實(shí)驗(yàn)掛片

表3 酸洗液緩蝕性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

3#專用清洗液符合清洗除垢標(biāo)準(zhǔn)使用要求，酸洗液腐蝕速率控制在標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3547—2011 規(guī)定6 g/m2·h 范圍內(nèi)，符合使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 清洗劑反應(yīng)機(jī)理及技術(shù)思路

螯合反應(yīng)是一種能和重金屬離子發(fā)生螯合作用形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物，能提供氮原子和羧基氧原子與金屬配合，可以把需要配位的鈣離子緊緊包裹起來(lái)，生成極穩(wěn)定的產(chǎn)物金屬-螯合物，可溶于水，螯合劑分子結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 螯合劑分子結(jié)構(gòu)

表面活性劑對(duì)污油污泥起浸潤(rùn)、增溶、清凈、分散、乳化、去污、滲透、粘泥剝離作用；酸洗液對(duì)硫化物、亞硫酸鹽、碳酸鹽、氧化物起分解的作用；緩蝕劑對(duì)金屬表面的成膜保護(hù)、腐蝕防護(hù)、粘泥剝離起作用；鈍化液對(duì)金屬表面起磷化成膜的作用。

5 清洗工藝流程

根據(jù)加熱爐垢樣的性質(zhì)及溶垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定清洗流程及清洗工藝。

清洗工藝流程：排油→掃線→（第一次）硫酸鈣專用清垢劑→水沖洗→酸洗→水沖洗→（第二次）硫酸鈣專用清垢劑→鈍化→水沖洗→吹掃待用的處理。預(yù)計(jì)每次清洗，硫酸鈣專用清垢劑須循環(huán)浸洗2 次，第一次48 h，第二次30 h 左右；酸洗液須浸洗6～10 h（安全起見，控制總體時(shí)間）；鈍化6 h，觀察出液情況。清洗液第一次使用后回清洗罐中備用，第二次清洗須補(bǔ)充一部分未使用的專用清垢劑或酸洗液，補(bǔ)充后重復(fù)利用。

為實(shí)現(xiàn)上述工藝過(guò)程，根據(jù)爐前工藝管網(wǎng)和爐子的結(jié)構(gòu)，需要將加熱爐原油進(jìn)出口管道上的掃線管道改為清洗液進(jìn)出口管道，用耐熱耐酸堿管線將清洗用的泵和配液槽與爐子連接起來(lái)，4 只U 形管形成串聯(lián)，即建立清洗工藝流程（圖6）。需配1 臺(tái)配液槽，分別配制硫酸鈣專用清垢劑、酸洗液、清水，用后清洗，連接清洗流程，閥門控制。

圖6 化學(xué)清洗工藝流程

通過(guò)實(shí)施化學(xué)清洗，達(dá)到清洗結(jié)垢70%以上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的目的。

6 現(xiàn)場(chǎng)清洗實(shí)施過(guò)程

6.1 化學(xué)清洗操作規(guī)程

為確保清洗質(zhì)量，化學(xué)清洗應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施以下工作。

（1）確定清洗工期后，關(guān)閉運(yùn)行爐子的20 號(hào)、21 號(hào)閥，打開放污閥和緊急放空閥排放原油，然后進(jìn)行掃線，最大限度地清除管線內(nèi)余油。

（2）建立化學(xué)清洗站。根據(jù)流程圖，對(duì)接清洗流程、安裝清洗設(shè)備、完成后注水和啟動(dòng)清洗泵，進(jìn)行試驗(yàn)，確保清洗系統(tǒng)的密閉性。

（3）根據(jù)清洗工藝，按硫酸鈣專用清洗劑、酸洗液、鈍化液順序，按工藝流程逐步清洗除去油垢、結(jié)焦、無(wú)機(jī)鹽垢等。清洗時(shí)，最好能實(shí)現(xiàn)正反洗交替進(jìn)行，清洗過(guò)程中，加熱爐可間斷性地低負(fù)荷運(yùn)行，將清洗液出爐溫度控制在50 ℃左右，以提高清洗液的清洗效果，縮短清洗時(shí)間。

（4）質(zhì)量監(jiān)控。每天化驗(yàn)記錄清洗液的濃度和濁度、pH 值等技術(shù)參數(shù)，以及記錄爐子進(jìn)出口管子上的溫度讀數(shù)。根據(jù)參數(shù)變化情況，加劑或加水調(diào)配清洗液，確保清洗液質(zhì)量。

（5）鈍化處理。酸洗完成后，用鈍化液對(duì)管線進(jìn)行鈍化處理，鈍化時(shí)間6～8 h。

（6）清洗時(shí)間。估計(jì)開始施工到清洗結(jié)束需6 d 左右。

（7）廢液處理。排放至甲方干化池自然降解。

6.2 工藝控制及記錄

（1）硫酸鈣專用清洗劑清洗48 h 后用清水清洗2 h。溫度：30 ℃，配專用清洗劑25%（4000 kg+清水12 000 kg），pH 值為8，循環(huán)清洗48 h。清洗結(jié)束后清洗液回收，第二次備用。補(bǔ)充清水沖洗2 h。清洗記錄見表4，現(xiàn)場(chǎng)取樣及濁度分析見圖7。

表4 專用清洗劑+清水沖洗記錄

圖7 清洗前后效果比較

溶液狀態(tài)：渾濁變至澄清。加熱爐內(nèi)用清水沖洗，濁度為8 mg/L，使用硫酸鈣專用除垢劑后，濁度最大為8.95 g/L，有大量的鹽溶于清洗液中?，F(xiàn)場(chǎng)取水樣觀察，從清洗前含油清澈→含油略渾濁→含油渾濁發(fā)黑，肉眼不能識(shí)別，表明溶液的濁度越來(lái)越大，污垢溶解量增大。清洗結(jié)束時(shí)循環(huán)罐口有大量的浮油和污垢（圖8）。

圖8 循環(huán)罐口清洗出的浮油和污垢

（2）酸洗9 h +清水沖洗。酸洗液配制：鹽酸（1500 kg）+L826（60 kg）+耐酸滲透劑（100 kg）+助溶劑（40 kg）+清水（14 t）≈16 t酸洗液（濃度10%）。

控制清洗溫度30 ℃以內(nèi)，pH 值為1～2，溶液狀態(tài)清澈變至渾濁，循環(huán)清洗9 h。結(jié)束用清水沖洗，至pH 值為4 為止。酸洗期間，檢測(cè)循環(huán)罐口H2S 濃度為8～10 ppm（10-6），水色發(fā)紅，說(shuō)明有鐵銹和硫化物污垢被清除。見表5、圖9。

表5 酸洗+清水沖洗記錄

圖9 酸洗液狀況

對(duì)酸洗液腐蝕效果的驗(yàn)證：使用現(xiàn)場(chǎng)酸洗液，對(duì)20#鋼腐掛片蝕情況見表6、圖10。由評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可以看出，該酸洗液配方在短時(shí)間對(duì)金屬的腐蝕率遠(yuǎn)低于工業(yè)管線酸洗標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3547—2011 規(guī)定6 g/m2·h，符合安全高效清洗的范疇。

表6 腐蝕驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖10 掛片腐蝕情況

（3）專用清洗劑二次清洗（36 h）?？刂茰囟龋?0 ℃，pH 值為8，使用第一次回收清洗液15 000 kg+專用清洗劑1000 kg，清洗液濃度為10%，循環(huán)清洗34 h。二次清洗記錄見表7，現(xiàn)場(chǎng)取樣見圖11。

圖11 二次清洗清洗液效果比較

表7 專用清洗劑二次清洗記錄

根據(jù)取樣時(shí)間先后順序，瓶中的水樣顏色由無(wú)色變淺直至深黑，專用清洗劑溶垢量越來(lái)越大，達(dá)到最大溶解度后，清洗液保持顏色；濁度（懸浮物）含量最大到2.1 g/L，再次清洗鹽類。

（4）鈍化6 h，清水沖洗3 h，掃線后準(zhǔn)備投用。溫度35 ℃，pH 值為8，在專用清洗劑中投入聚磷酸三鈉50 kg 鈍化，循環(huán)6 h，清洗液排放徹底。清水替液清洗3 h，邊洗邊排放。

鈍化過(guò)程中保持pH≥8，清洗液顏色和濁度不變。結(jié)束后清水沖洗，清洗液由渾濁→澄清。清洗徹底后，pH 值約為7。見表8、圖12。

表8 鈍化處理數(shù)據(jù)

圖12 鈍化液效果

7 清洗效果

通過(guò)化學(xué)清洗后，原油加熱爐投運(yùn)后盤管偏流問(wèn)題得到了解決，裝置運(yùn)行3 個(gè)月內(nèi)未出現(xiàn)偏流現(xiàn)象,加熱爐運(yùn)行平穩(wěn)。

8 結(jié)論

（1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證硫酸鈣專用清垢劑清垢效果99.2%；酸洗液平均腐蝕速率指標(biāo)≤6 g/m2·h，符合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。

（2）使用硫酸鈣專用清垢劑對(duì)加熱爐盤管進(jìn)行兩次清洗，清洗液顏色、濁度變化明顯，循環(huán)罐口出現(xiàn)大量的油污及污垢，均表明藥劑去除系統(tǒng)的鹽類、油污等垢效果明顯。

（3）通過(guò)酸洗徹底去除加熱爐盤管中的硫化物、亞硫酸鹽、碳酸鹽、氧化物等污垢（循環(huán)罐口檢測(cè)H2S 濃度10 ppm（10-6））；酸化緩蝕劑對(duì)碳鋼的腐蝕防護(hù)作用顯著，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平均腐蝕速率1.012 g/m2·h，符合酸洗碳鋼設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的清洗→酸洗→二次清洗→鈍化的清洗流程，全面去除原油加熱爐盤管內(nèi)的污垢，達(dá)到石油化工設(shè)備清洗SH/T 3547—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求，符合清洗設(shè)計(jì)要求。

（5）原油加熱爐化學(xué)清洗后，3 個(gè)月內(nèi)未出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，清洗效果明顯。