催化裂化裝置故障檢修及技術(shù)改造

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(中國石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060)

中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司(簡稱蘭州石化)300萬t/a催化裂化裝置2014-08大檢修后不久，出現(xiàn)油漿泵工況異常。該油漿泵為德國魯爾泵公司生產(chǎn)，其額定電流為88 A，正常運(yùn)行時的電流低于80 A。自2015年年底開始，油漿泵的運(yùn)行電流由78 A逐步上升至83 A，并且還在持續(xù)增長。與此同時，發(fā)現(xiàn)裝置的催化劑跑損量明顯增多，油漿中催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.2%左右上升至0.7%左右。受油漿固含量上升的影響，油漿泵停用并于2015-12、2016-04、2016-08開泵檢修，采用激光熔覆技術(shù)修理了磨損嚴(yán)重的泵體。修理油漿泵期間，油漿泵長期處于無備用泵狀態(tài)。針對油漿泵狀況，車間采取了降低預(yù)提升蒸汽用量和急冷水用量、降低沉降器料位和頂旋翼閥下部的汽提蒸汽用量、降低旋流式快分系統(tǒng)(VQS)線速、增加新鮮催化劑和平衡劑的磨損指數(shù)的監(jiān)控等工藝調(diào)整措施。但經(jīng)過一段時間的觀察調(diào)整，發(fā)現(xiàn)催化劑磨損指數(shù)在正常范圍內(nèi)，但是油漿中固含量和油漿泵運(yùn)行電流沒有明顯下降。

文中分析了油漿泵出現(xiàn)異常的原因，介紹了檢修過程中發(fā)現(xiàn)的VQS系統(tǒng)、反應(yīng)再生系統(tǒng)及其他部位故障，以及對故障的分析和修復(fù)情況[1]。

1 油漿泵故障技術(shù)分析

在出現(xiàn)油漿固含量上升、油漿泵電流升高等異?，F(xiàn)象之后，從減少高溫催化劑熱崩、防止頂旋催化劑倒流、提高VQS和頂旋的分離效率等方面采取了相應(yīng)的工藝調(diào)整措施。在油漿泵運(yùn)行一段時間后發(fā)現(xiàn)，雖然催化劑的磨損指數(shù)在正常范圍內(nèi)，但油漿中固含量和油漿泵的操作電流沒有明顯下降。這些情況表明，油漿泵故障的根源不在工藝設(shè)計(jì)，更可能是設(shè)備出了問題。

根據(jù)日常檢測到的油漿中催化劑含量上升情況和開泵檢修觀察到的泵體磨損情況可以判斷，有過量的催化劑進(jìn)入了油漿運(yùn)行系統(tǒng)中，催化裂化裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況也印證了這一論斷。根據(jù)車間的生產(chǎn)記錄，自2016-03月底起，其他跑損量顯著增多，系統(tǒng)催化劑藏量難以維持，連續(xù)二十多天未進(jìn)行卸劑操作，而余熱鍋爐受熱面積灰速度和煙氣脫硫裝置廢渣產(chǎn)生速度提升不明顯，說明跑損催化劑去向大部分為油漿系統(tǒng)[2]。

2014-08該裝置大檢修時發(fā)現(xiàn)一處VQS旋流臂磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)穿孔，其余部分局部出現(xiàn)襯里破損、脫落等問題。當(dāng)時因工期等問題只是對旋流臂破損部位進(jìn)行鋼板補(bǔ)焊，對襯里進(jìn)行局部修復(fù)，對磨損沉降器翼閥進(jìn)行更換[3]。結(jié)合2014年檢修情況，說明大量催化劑跑損至油漿系統(tǒng)與沉降器VQS出現(xiàn)故障有較大關(guān)系。

2 沉降器VQS檢查及修復(fù)

2.1 VQS介紹

蘭州石化300萬t/a催化裂化裝置由中石化北京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，于2003-07-01正式開工。沉降器提升管出口采用VQS+單級旋分形式。VQS是石油大學(xué)的專利產(chǎn)品，由旋流快分頭、封閉罩、直聯(lián)升氣管、預(yù)汽提段等組成[4]。VQS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示圖見圖1，三臂旋流快分頭結(jié)構(gòu)示圖見圖2。

圖1 VQS結(jié)構(gòu)示圖

圖2 三臂旋流快分頭結(jié)構(gòu)示圖

VQS系統(tǒng)工作時，混合的催化劑與裂化油氣在提升管頂部經(jīng)三臂旋流頭快分后(線速約16 m/s)，斜向20°沿封閉罩內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在封閉罩中心形成負(fù)壓區(qū)，因油氣密度小，故攜帶少量催化劑的絕大部分裂化油氣折而向上與來自沉降器汽提段的汽提蒸汽匯合，經(jīng)過封閉罩上的直聯(lián)升氣管進(jìn)入沉降器單級高效旋風(fēng)分離器，靠離心力的作用，使油氣與催化劑得到分離，帶有微量催化劑的油氣進(jìn)入分餾塔。封閉罩內(nèi)夾帶少量油氣的催化劑向下旋轉(zhuǎn)約4 m，遇到防渦板(第1塊預(yù)汽提擋板)后迅速終止旋轉(zhuǎn)，開始均勻向下流動，經(jīng)過3層預(yù)提擋板與來自汽提段的汽提蒸汽逆向接觸，將其顆粒之間和微孔內(nèi)大部分油氣汽提出來，然后與旋風(fēng)分離器分離出來的催化劑匯合進(jìn)入沉降器汽提段，再經(jīng)過6層高效汽提擋板與二級汽提蒸汽逆向接觸，進(jìn)一步分離出催化劑中夾帶的油氣。

VQS能使油氣與催化劑得到快速分離，減少二次反應(yīng)。沉降器內(nèi)油氣被快速引出，停留時間大幅縮短，減少了沉降器內(nèi)的結(jié)焦。催化劑汽提效果好，增加了輕質(zhì)油收率[5]。

2.2 VQS常見故障

沉降器VQS工作時以旋流快分為特征，旋流快分屬于慣性分離，正常工作中可以快速分離催化劑和油氣，使60%～80%的固體顆粒沉降下來，能有效減少結(jié)焦，并為頂部旋風(fēng)分離器減輕分離負(fù)荷，提高其分離效率。VQS常見故障包括旋流臂變形、旋流臂破損和旋流快分頭損壞[6]。

VQS旋流臂有變形時，會導(dǎo)致快分旋流流場方向發(fā)生變化，造成內(nèi)外渦流運(yùn)動破壞，外渦流向下運(yùn)動不到位，使內(nèi)渦流攜帶固體顆粒進(jìn)入頂部旋風(fēng)分離器。VQS旋流臂破損時，會導(dǎo)致部分油氣和催化劑未經(jīng)過旋流頭分離而出現(xiàn)短路。旋流臂破損還會造成出口面積變大，出口線速度降低，在設(shè)定的范圍邊緣與超出范圍出現(xiàn)跑劑，即油氣攜帶固體顆粒現(xiàn)象。旋流快分頭損壞后，不僅會增加沉降器頂部、油氣管線的結(jié)焦速率，還直接增大了頂部旋風(fēng)分離器的分離負(fù)荷，使頂部旋風(fēng)分離器的分離效率大幅下降，增加了頂部旋風(fēng)分離器底部翼閥的開關(guān)頻率，加快了翼閥磨損的速率[5]。

2.3 VQS檢修情況

2016-08催化裂化裝置停工時對沉降器VQS展開檢查，發(fā)現(xiàn)的旋流臂頂部及側(cè)壁局部破損情況分別見圖3～圖5。

圖3 VQS旋流臂頂部破損情況(一)

現(xiàn)場可以觀察到，VQS的3個旋流臂損壞情況比預(yù)計(jì)的更為嚴(yán)重，旋流頭、3個旋流臂均有不同程度的破損。經(jīng)過測量，旋流臂最大破口尺寸為(長度×寬度)350 mm×300 mm，旋流臂龜甲網(wǎng)襯里有掀開的裂縫，旋流臂入口、封閉罩內(nèi)壁有大面積襯里發(fā)生破損。

圖4 VQS旋流臂頂部破損情況(二)

圖5 VQS旋流臂側(cè)壁破損情況

2.4 VQS修復(fù)方案

VQS修復(fù)存在較多的實(shí)際困難，例如空間狹小、施工環(huán)境惡劣、旋流臂修復(fù)空間角度無法在現(xiàn)場準(zhǔn)確確定等客觀因素，以及襯里修復(fù)不能保證長久運(yùn)行等主觀認(rèn)識。經(jīng)認(rèn)真研討后決定，首先利用圖樣數(shù)據(jù)建立VQS立體模擬圖。設(shè)備打開后，對VQS多點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測，并據(jù)此對VQS立體圖進(jìn)行修訂。同時，充分考慮施工中能進(jìn)入沉降器封閉罩內(nèi)的最大通道尺寸和材料尺寸，避免修復(fù)材料的切割過小、修復(fù)焊口過多以及易變形等問題。根據(jù)破損部位坐標(biāo)，利用VQS立體圖參數(shù)進(jìn)行鋼板預(yù)制，選取最合理下料尺寸，將該下料尺寸與現(xiàn)場破損切割部位進(jìn)行核實(shí)、修訂，確保接縫處各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到焊接工藝要求。修復(fù)時沿流道由內(nèi)向外修復(fù)破損的旋流頭器壁，保證焊接后流道內(nèi)壁平整、弧形曲度未發(fā)生變形。

檢修時還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場襯里破損情況較為嚴(yán)重。為避免襯里修補(bǔ)過多、新舊襯里搭接處理不好、易脫落等問題，決定將VQS的3個旋流臂快分頭及頂部襯里拆除，以保證襯里施工質(zhì)量。壁板修復(fù)完成后，在流道內(nèi)壁按照要求焊接好龜甲網(wǎng)，制作20 mm厚度的AA級剛玉耐磨襯里，養(yǎng)護(hù)72 h以上，隨開工進(jìn)行襯里烘干燒結(jié)。

2.5 VQS修復(fù)施工

VQS三臂旋流快分頭材質(zhì)為16MnR，入口尺寸(長度×寬度)544 mm×1 339 mm，壁厚18 mm。根據(jù)實(shí)際破損情況，對三臂旋流快分頭內(nèi)部襯里、旋流快分頭入口筒體下方3 m至頂封頭處的襯里進(jìn)行拆除。共計(jì)拆除襯里近40 m2，修補(bǔ)VQS三臂旋流快分頭3.3 m2(共用去500 mm× 500 mm× 8 mm的壁板6塊，500 mm × 200 mm × 18 mm的壁板18塊)，使用龜甲網(wǎng)35 m2、異形部位使用側(cè)拉環(huán)2 500個。

施工過程中，為了保證安裝方便并能使修復(fù)壁板很好地固定在修復(fù)位置，在旋流頭壁板切除后增加了在其洞口四周點(diǎn)焊擋板以及在修復(fù)壁板四周同樣點(diǎn)焊擋板的保障措施。焊接龜甲網(wǎng)時，嚴(yán)格保證與壁板的貼合度[7]及焊接質(zhì)量[8]。因VQS屬于塔套塔結(jié)構(gòu)，施工空間小、通風(fēng)不暢、焦粉彌漫，施工環(huán)境非常惡劣，在拆除過程中，利用兩把風(fēng)鎬，采用左右夾擊、上下推打、頂部合圍的拆除法。在恢復(fù)襯里時，還要特別注意合理優(yōu)化施工工序，以保障襯里料質(zhì)量，克服沉降器空間狹小、襯里料運(yùn)輸困難及凝固速度快等問題[9]。

3 其他故障及其修復(fù)

VQS修復(fù)時，對檢修過程中同時發(fā)現(xiàn)的和以往檢修未能徹底解決的反應(yīng)再生系統(tǒng)故障，也實(shí)施了必要的零部件更換和改造。

3.1 汽提段擋板更換

汽提擋板(共6層)位于沉降器底部，實(shí)施更換操作困難。采用從集氣室下切割沉降器頂部并從頂部整體提吊方法更換汽提擋板有檢修空間大、利于人員施工、能保障施工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但是前期拆除及后期恢復(fù)工作量大，維修成本高，備件采購、現(xiàn)場檢修周期長，材料、施工費(fèi)預(yù)計(jì)需要1 300萬元。生產(chǎn)部門經(jīng)過整體物料平衡計(jì)算后確認(rèn)，該方案施工周期不能滿足生產(chǎn)整體平衡，因此整體更換從施工周期及施工費(fèi)用上都不是最優(yōu)化方案。

經(jīng)綜合考慮，決定本次檢修不打開沉降器頂部，而是根據(jù)汽提擋板的尺寸及汽提段內(nèi)部拆除、安裝所需的材料進(jìn)出尺寸，采用電腦模擬推演的方法確定了在沉降器標(biāo)高12.3 m汽提擋板處開高1.5 m、寬2.5 m的檢修門，外部搭設(shè)檢修平臺進(jìn)行施工的更換方案。同時，要求汽提擋板制造廠家按照3段進(jìn)行擋板產(chǎn)品的供應(yīng)，施工單位在現(xiàn)場進(jìn)行分段安裝，檢修完成后對檢修門進(jìn)行焊接恢復(fù)[10]。

3.2 半再生下斜管熱點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)與襯里改造

半再生下斜管過熱點(diǎn)是該車間自建成投產(chǎn)以來最棘手的過熱常態(tài)點(diǎn)，下斜管外壁每次出現(xiàn)過熱都需要外包幾十平方米“盒子”，多次檢修更換都未能徹底解決。

本次檢修時，該車間通過計(jì)算膨脹系數(shù)和熱膨脹趨勢，判定該熱點(diǎn)長期未能根本消除主要由下斜管拐彎位置夾套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理所致。按照原設(shè)計(jì)，半再生下斜管拐彎處夾套連接方式為內(nèi)填陶纖棉、外部夾套鋼板全焊接。此種連接結(jié)構(gòu)受熱后由于夾套鋼板無膨脹伸縮空間，焊口就會發(fā)生變形破裂。高溫催化劑和煙氣從破裂處進(jìn)入夾套內(nèi)部后，由于陶纖棉隔熱能力有限，加之高溫催化劑的磨蝕，就會出現(xiàn)過熱點(diǎn)。

在本次檢修中該車間對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將以前的夾套式過渡段焊接由全焊接方式改為支撐板結(jié)構(gòu)固定端焊接方式，并根據(jù)熱膨脹趨勢，焊接固定一端，其它部位保持為自由端，這樣可以保證熱態(tài)下夾套不變形。同時將此部位的分段式襯里結(jié)構(gòu)改為整體襯里，廠房內(nèi)烘干燒結(jié)，現(xiàn)場焊接后再修補(bǔ)處理預(yù)留縫，從而徹底解決了過熱點(diǎn)問題。自2016-08開工以來，經(jīng)過多次紅外線檢測均未發(fā)現(xiàn)過熱點(diǎn)部位，器壁溫度保持在170 ℃左右的正常壁溫。

3.3 溢流斗固定結(jié)構(gòu)改造

第二再生器溢流斗在多次檢修時均出現(xiàn)倒塌，其器壁上的4個固定吊耳也多次出現(xiàn)斷裂、甚至掉落卡在再生滑閥閥道的情況。為此，該車間決定更改溢流斗的固定結(jié)構(gòu)。在溢流斗頂部和第二再生器器壁間焊接了4對吊耳，每只吊耳上開有約100 mm的長槽，每對吊耳之間用?108 mm×6 mm的0Cr18Ni9Ti管材連接，兩端用螺栓與長槽固定，保持一定自由度，既可加固溢流斗，又可保證受熱膨脹時有活動的余地。

3.4 提升管襯里植筋技術(shù)修復(fù)

反應(yīng)再生系統(tǒng)襯里修復(fù)是本次檢修的重點(diǎn)，再生器、沉降器以及提升管襯里破損嚴(yán)重，設(shè)備多處出現(xiàn)過熱點(diǎn)，拆除過程中發(fā)現(xiàn)保溫襯里部位保溫釘全部燒損碳化并大量脫落，龜甲網(wǎng)燒損脫落，修復(fù)中新的保溫釘無法生根焊接，大量油和焦子浸入襯里，無法焊接，大面積拆除會嚴(yán)重?fù)p壞龜甲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的保溫襯里整體性。通過查資料，受混凝土植筋技術(shù)的啟發(fā)，采用在隔熱襯里中鉆孔,用植筋膠固定埋植側(cè)拉環(huán)技術(shù)修復(fù)襯里，經(jīng)過試驗(yàn)和拉伸核算，能滿足要求，解決了襯里的修復(fù)難題[11-12]。

3.5 翼閥更換和角度修正

因?yàn)閂QS發(fā)生故障，沉降器頂部旋風(fēng)分離器翼閥開關(guān)動作異常頻繁，打開檢查發(fā)現(xiàn)6臺DN350 mm翼閥閥板都出現(xiàn)不同程度磨損穿孔，本次檢修對翼閥進(jìn)行全部更換。

在更換操作過程中，嚴(yán)格按照翼閥開啟角度為3°～8°的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收[13-14]。在此基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)要求及裝置實(shí)際情況，通過靜態(tài)、動態(tài)[15]復(fù)核試驗(yàn)雙重確認(rèn)實(shí)際開啟角度，采用水刀技術(shù)進(jìn)行閥板取重，使翼閥開啟角度控制在最佳操作要求的4.5°～6°[16-17]。

使用新更換的翼閥之后，再生煙氣中催化劑細(xì)粉量大幅降低，細(xì)粉拉運(yùn)量由128.06 t /月下降到了37.50 t /月，比檢修前降低90.56 t/月。鍋爐的運(yùn)行工況得到極大的改善，自2016-09-28重新開工以來，鍋爐未進(jìn)行過停爐清灰工作，而且運(yùn)行正常。催化劑單耗由1.71 kg/t降到1.64 kg/t，比檢修前降低0.07 kg/t。

4 檢修效果

自2016-09催化裂化裝置重新開工以來，油漿泵油漿固含量一直在0.2%的正常水平以下，油漿泵運(yùn)行平穩(wěn)，電流值在80 A以下，裝置未出現(xiàn)過熱點(diǎn)。裝置目標(biāo)產(chǎn)品液體收率得到提高，檢修前(2015-01～2016-06)產(chǎn)品液體收率平均值為84.67%，檢修后(2016-09～2017-06)產(chǎn)品液體收率平均值為86.52%，比檢修前增加1.85個百分點(diǎn)。其中液態(tài)烴收率比檢修前增加1.69%，汽油收率比檢修前增加2.08%，柴油收率減少2.23%，催化劑單耗略有降低。由此證明，本次大檢修對VQS在線修復(fù)及其它故障問題的更換和改造取得成功。