催化汽油吸附脫硫裝置反應器氣相返回線腐蝕與防護

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(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

S Zorb裝置基于吸附劑吸附原理降低汽油硫含量，已經(jīng)成為煉油企業(yè)的關(guān)鍵裝置。中國石化自2007年第一套S Zorb裝置建成投產(chǎn)以來，不斷改進技術(shù)，進行升級換代。目前新建裝置已按第3代技術(shù)實施，設(shè)置了反應器氣相返回線，解決了裝置轉(zhuǎn)劑困難及再生轉(zhuǎn)劑系統(tǒng)的管線沖蝕泄漏等問題,但第3代裝置出現(xiàn)反應器氣相返回吸附劑管線泄漏情況。以中國石化第3代技術(shù)實施生產(chǎn)的某公司S Zorb裝置為例，就其反應器氣相返回管線發(fā)生泄漏，分析了泄漏原因，提出改進措施。

1 情況簡介

某公司1.5 Mt/a S Zorb裝置由進料與脫硫反應、吸附劑再生、吸附劑循環(huán)和產(chǎn)品穩(wěn)定四個部分組成。在反應器中吸附劑吸附原料中的硫組分，通過再生、還原后重新進入反應器吸附，形成吸附劑循環(huán)。循環(huán)的動力來源于循環(huán)系統(tǒng)中的設(shè)備壓差以及氣相攜帶。在吸附劑循環(huán)系統(tǒng)中不可避免發(fā)生氣固混合物對管線的沖刷腐蝕，造成管線的沖蝕泄漏，尤以反應器氣相返回線受沖蝕影響最為嚴重。

該裝置于2015年9月投產(chǎn)，連續(xù)運行至2016年10月，位于反應器與接收器之間的反應器氣相返回線彎管發(fā)生第一次泄漏，并在后續(xù)10 d內(nèi)位于同一管段上的其他2個彎管部位相繼發(fā)生泄漏。

2 失效分析

2.1 泄漏管線

泄漏管線為反應器接收器(D105)頂部氣相返回反應器(R101)的氣相返回線，主要用于調(diào)整反應器和接收器之間的壓差，便于吸附劑順利自反應器向接收器轉(zhuǎn)劑，并通過設(shè)置于接收器底部錐段的提升氫氣，脫出吸附劑中的油氣和細粉塵返回反應器，管線內(nèi)介質(zhì)為氫氣、油氣和吸附劑。

氣相返回線參數(shù)見表1。

表1 氣相返回線參數(shù)

氣相返回線設(shè)計采用了長半徑彎管，從下到上分布了4個45°,彎曲半徑R為彎管直徑D8倍的長半徑彎管；1個90°,彎曲半徑R為彎管直徑D5倍的長半徑彎管，彎管和直管之間通過自緊式活套法蘭進行連接。布置情況見圖1。

2016年10月20日，氣相返回線2號45°彎管發(fā)生泄漏，隨后在10月27日和29日分別在1號45°彎管和90°彎管處相繼發(fā)生泄漏。

圖1 氣相返回線彎管情況

2.2 失效部位

失效部位及形貌見圖2。由圖2可以看出，失效部位位于長半徑彎管外彎，呈沖蝕坑洞形狀，母材周邊部位沒有裂紋；失效部位內(nèi)部彎管處呈溝槽狀沖蝕；泄漏部位全部位于彎管段外彎部位，直管段及彎管內(nèi)彎部位沒有沖蝕。

圖2 氣相返回線失效部位

2.3 測厚分析

該氣相返回線在發(fā)生泄漏之前一直實施單點測厚，測厚數(shù)據(jù)沒有顯示出明顯減薄跡象，但實際已有減薄，說明前期的測厚存在一定問題。該管線泄漏之后，對5個彎管進行了密集測厚，圖3為5個彎管的密集測厚數(shù)據(jù)比較。從圖3可以看出：①按管內(nèi)介質(zhì)流動方向來看，45°1號彎管的沖刷減薄相對其他45°彎管要較為明顯。 ②90°彎管雖然位于最后部位，但由于弧度較小，受沖刷腐蝕較為明顯，超過45°1號彎管的減薄量。 ③彎管的側(cè)外彎相對于正外彎部位減薄量較小，但也存在不同程度的減薄。 ④彎管的內(nèi)彎和直管部位基本沒有減薄。⑤泄漏部位并不一定處于外彎正中線，受內(nèi)部介質(zhì)流動不規(guī)則或管線材質(zhì)某處特定缺陷的影響，泄漏部位可能位于外彎中心線的左右兩側(cè)，但基本位于外彎中心線兩側(cè)70°范圍內(nèi)，不超出外彎中心線兩側(cè)90°范圍。⑥該次密集測厚還對裝置內(nèi)其他氣相攜帶吸附劑管線進行了全部密集測厚，未發(fā)現(xiàn)有明顯減薄。

圖3 彎管測厚數(shù)據(jù)

2.4 失效原因

2.4.1 失效機理

固體顆粒通過氣力在管道中輸送，當顆粒硬度比較大時，氣-固兩相流中的顆粒會對管路造成巨大的沖蝕，不僅降低生產(chǎn)效率，而且對施工環(huán)境和人員造成威脅[1]。沖蝕廣泛存在于石油化工、航空航天和能源機械等領(lǐng)域，是導致材料破壞甚至設(shè)備失效的主要原因之一[2]。彎管用來改變管道內(nèi)流體的方向，相對于直管，彎管比直管磨損率高50倍以上[3]。固體顆粒在彎管內(nèi)的軌跡是先匯集后發(fā)散的過程。固體顆粒在管道內(nèi)經(jīng)過氣流攜帶加速，在彎管變徑處對管道內(nèi)壁形成沖擊磨損，并受內(nèi)壁反作用力形成反彈，顆粒與顆粒之間也發(fā)生碰撞，并與管道內(nèi)壁發(fā)生后續(xù)碰撞。固體顆粒與管道內(nèi)壁接觸頻繁的地方即為沖蝕最嚴重的地方。

圖4為失效90°彎管內(nèi)部弧段圖。由圖4可以看出,沖蝕部位情況與失效機理相符，分布于彎管外彎弧變部位，并且由于固體顆粒的碰撞反彈，沖蝕部位呈一定區(qū)域性分布，基本位于外彎軸向中心線兩側(cè)70°范圍內(nèi)，不超出外彎軸向中心線兩側(cè)90°范圍。

2.4.2 氣速和吸附劑粒徑的交叉影響

研究表明，當顆粒粒徑小于45 μm時，氣流速度對最大磨蝕率沒有明顯影響；當顆粒粒徑大于45 μm時，氣流速度對最大磨蝕率的影響更為顯著。

圖4 90°彎管內(nèi)部弧段沖蝕分布

氣流速度V與最大磨蝕速率Emax接近二次多項式關(guān)系:

Emax=aV2+bV+c(a,b,c為大于0的常數(shù))

當顆粒粒徑在10～100 μm時，磨蝕率隨著顆粒氣速的增大而增大；隨著顆粒粒徑的變化，在粒徑45 μm處出現(xiàn)峰值，而且氣速越大，趨勢越明顯[4]。

失效彎管泄漏前氣速維持在1 400 m3/h，顆粒粒徑組成見表2。由表2可知,粒徑主要集中在40 μm之上。較大的氣速，合適的粒徑，使得固體顆粒在管道內(nèi)具有較高的動能，對管壁的沖蝕速率也大大加快，造成管線在較短時間內(nèi)發(fā)生穿孔泄漏。

表2 吸附劑顆粒粒徑

2.4.3 彎徑比

傳統(tǒng)氣力輸送理論認為物料在彎管內(nèi)貼管道外側(cè)內(nèi)壁流動，曲率越大就愈接近于直管輸送，相應磨損也應愈小，這也是普遍選用大曲率半徑彎管，即曲率半徑R與管道內(nèi)徑D之比為5～15的主要原因。

研究表明，管道內(nèi)的物料沖擊會加劇物料破碎，能量消耗，并隨著R/D比值的增大，沖擊點加多，能量消耗也愈大，彎管處會顯示出凹坑[5]。

本次失效的管線由4個R=8D長半徑彎管和1個R=5D長半徑彎管及相應直管段組成，彎徑比相對較大，但由圖2及圖4即可看出，管線彎管部位受沖蝕比較嚴重，失效部位形貌呈溝槽及坑洞狀，失效部位分布在外彎中心線兩側(cè)90°范圍內(nèi)，可見大彎徑比并不能有效降低沖刷磨損。

2.4.4 測厚偏差

失效管線彎管為R=8D和R=5D的長半徑彎管，由于氣-固兩相流在管道內(nèi)局部流動不確定性，可能在某一特定點形成湍流，造成局部某點腐蝕減薄嚴重。前期定點測厚方法測量為一彎一點，測量數(shù)據(jù)明顯不夠，測量范圍相對狹小，不能準確地測到最薄點，對沖蝕減薄分析有偏差。

2.5 改進措施

2.5.1 彎管改造

考慮到失效彎管僅外彎部位受沖蝕影響較大，對于泄漏彎管的改造采用了一種有效而且簡易可行的方法：選用與原彎管同等規(guī)格的P11彎管段，沿縱向中心線剖開，選用外半彎，兩端用P11板材封堵，內(nèi)部密集填充剛玉料，爐內(nèi)燒結(jié)后沿工藝彎管外彎施焊，在外彎部位形成外保護半套管，實現(xiàn)了三重保護，大大增加了彎管的使用壽命，而且該方法實施簡易，經(jīng)濟性好，也方便對彎管的后期運行情況進行檢測(見圖5)。

圖5 彎管改造示意

圖6為實施外保護半套管運行1 a后的紅外檢測圖。從圖6可以看出，彎管運行狀態(tài)良好，沒有發(fā)生管道的沖蝕泄漏。

2.5.2 降低氣速

在吸附劑管徑一定的情況下，降低接收器中的氫氣提升量，降低氣相返回線的氣速，能夠降低吸附劑顆粒對彎管的磨損，延長運行時間。失效彎管泄漏前氣量維持在1 400 m3/h，泄漏后降低至800 m3/h，磨蝕速率降低2～4倍。但提升氫氣量降低太多，會影響接受器中吸附劑的流化狀態(tài)，也不易充分脫出吸附劑從反應器中攜帶過來的油氣和細粉塵，對后續(xù)的再生轉(zhuǎn)劑系統(tǒng)設(shè)備、儀表、程控閥門產(chǎn)生堵塞、磨損，同樣降低裝置的運行安全性，縮短運行周期，所以降低管道內(nèi)氣量應當適度。目前裝置設(shè)定的氣相返回線管內(nèi)氣量維持在900～1 000 m3/h，經(jīng)過1 a的觀測，運行情況良好。

圖6 彎管紅外檢測圖

2.5.3 增大管徑

增大管徑，能夠提升吸附劑在彎管內(nèi)的運行空間，降低吸附劑之間的碰撞動能，延緩對彎管的沖蝕。失效管線管徑設(shè)計為DN100，經(jīng)設(shè)計單位核算，后期擬將失效管段管徑調(diào)整為DN150,將在一定程度上延長管道的運行周期。

3 結(jié) 語

新一代S Zorb裝置反應器氣相返回線的沖蝕泄漏危險性較大，泄漏現(xiàn)象普遍，通過簡單的定點測厚不能夠及時準確地實現(xiàn)對減薄部位的檢測。通過對失效機理分析，結(jié)合現(xiàn)場實際，提出一種增加帶耐磨內(nèi)襯的外保護半套管的改造措施，并提出通過適當降低氣量、增大管徑的方式延緩對彎管的沖蝕，延長管道的使用壽命。

[1] MAZUMDER Q H,SIAMACK A S,MCLAURY B S.Prediction of Solid Particle Erosive Wear of Elbows in Multiphase Annular Flow-model Development and Experiment Validations[J].Journal of Energy Resources Technology,2008,130(2):1-10．

[2] 中國腐蝕與防護協(xié)會.金屬腐蝕手冊[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社,1987:96-101．

[3] 楊建勝，羅坤，王則力．煤粉顆粒對管道壁面磨損的數(shù)值模擬研究[J]．能源工程，2010(4):1-4．

[4] 宋金倉,張明星,林兆沅,等．基于計算流體動力學的顆粒磨蝕管道彎頭研究[J].中國粉體技術(shù),2016,22(1):1-5．

[5] 馬正先.氣力輸送系統(tǒng)的彎頭結(jié)構(gòu)形式及合理選用[J].起重機械,1996(6):7-10．