泄漏檢測與維修技術(shù)在芳烴重整裝置的應(yīng)用

蔣順慧

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

揮發(fā)性有機(jī)物(volatility organic compounds，VOCs)通常指20 ℃條件下蒸汽壓大于0.01 kPa的有機(jī)物，其在常壓(101.3 kPa)條件下沸點一般不超過250 ℃，參與大氣光化學(xué)反應(yīng)。美國聯(lián)邦環(huán)保署(US EPA)將其定義為除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外，任何參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物[1]。LDAR(leak detection and repair)是泄漏檢測與修復(fù)的簡稱，是一種使用專門的氣體檢測儀器用于對設(shè)備與管線組件等的VOCs濃度實施檢測，定期檢查是否存在泄漏，并在規(guī)定時間內(nèi)對泄漏組件進(jìn)行替換或者修復(fù)以減少VOCs排放的工作實踐方法[2-3],是一種從源頭上控制和減少VOCs無組織排放的有效手段[4]。

文章涉及的裝置為中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)3#連續(xù)重整裝置，設(shè)計規(guī)模為1 Mt/a，年開工時間為8 400 h。裝置原料為預(yù)加氫精制石腦油；主要產(chǎn)品和副產(chǎn)品有含氫氣體、液化氣、戊烷、高辛烷值汽油組分(重整生成油)、C6組分及燃料氣。裝置工藝過程溫度范圍是常溫至520 ℃，壓力范圍是常壓至2.6 MPa，工況條件的特征為高溫低壓臨氧。

1 泄漏檢測與修復(fù)實踐流程

上海石化芳烴部3#重整裝置于2015年進(jìn)行LDAR首輪檢測工作，主要包括:項目建立、現(xiàn)場檢測、泄漏維修及設(shè)備泄漏VOCs核算4部分。具體流程如圖1所示。

圖1 LDAR技術(shù)實施流程

1.1 項目建立

項目建立階段的主要工作包括資料收集和建立裝置設(shè)備密封點臺賬。資料收集的內(nèi)容主要包括：工藝流程圖、管道儀表圖、設(shè)備臺賬、設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、設(shè)備布置平面圖、物料平衡表、企業(yè)現(xiàn)有密封點臺賬等資料。在建立裝置設(shè)備密封點時，可以采用拍照模式和掛牌模式對泄漏點進(jìn)行信息標(biāo)識與采集。掛牌模式操作簡單明了，但存在需要牌子數(shù)量多、成本高、且檢維修時易造成牌子破損甚至丟失的缺點。因此目前上海石化采用的是密封點拍照模式標(biāo)識與采集信息。對于拍照來說，每個密封點指向性同樣明確，理論上檢測人員即使不懂設(shè)備工藝，但對照編輯好的照片也能準(zhǔn)確地檢測到該密封點，大規(guī)模應(yīng)用下成本比掛牌模式大為降低。

1.2 檢測儀器

目前采用的檢測儀器為美國Thermo Scientfic公司生產(chǎn)的TVA202型有毒揮發(fā)性氣體分析儀，采用火焰離子檢測(FID)與光電離子檢測(PID)相結(jié)合的雙檢測技術(shù)。FID檢測技術(shù)由氫氣與空氣混合燃燒生成火焰，VOCs從采樣管吸入時，在高溫下產(chǎn)生化學(xué)電離，同時由于電場的定向作用，產(chǎn)生離子流。經(jīng)過信號放大，生成正比于VOCs量程的電信號，通過電信號的大小對VOCs進(jìn)行定量分析。該檢測儀具有幾個優(yōu)點：動態(tài)量程線性范圍大，對碳?xì)浠衔?包括甲烷)具有高靈敏度，穩(wěn)定性與重復(fù)響應(yīng)性好，受環(huán)境中的二氧化碳、水蒸氣影響小等。

1.3 泄漏維修

泄漏維修主要是對現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)的泄漏點進(jìn)行維修，維修主要參考文件為《上海石化LDAR工作管理規(guī)定》、《設(shè)備泄漏揮發(fā)性有機(jī)物排放控制技術(shù)規(guī)程(試行)》、《石化企業(yè)泄漏檢測與修復(fù)工作指南》。目前上海石化規(guī)定實質(zhì)性維修不應(yīng)晚于發(fā)現(xiàn)泄漏點的15日；因不具備修復(fù)條件，15日未能完成修復(fù)的，需填寫書面的延遲修復(fù)申請，同時保證在下次停工檢修期間完成對所有延遲修復(fù)點的修復(fù)工作。

1.4 泄漏核算

目前上海石化主要用相關(guān)方程法和篩選范圍法計算動靜密封點的VOCs排放量。相關(guān)方程法是目前最為常用的核算方法，通過對可達(dá)密封點進(jìn)行現(xiàn)場檢測，根據(jù)檢測結(jié)果計算動靜密封點的VOCs排放量；篩選范圍法主要是用于不可達(dá)點VOCs排放量的計算。

2 芳烴重整裝置中的應(yīng)用案例

2.1 裝置密封點確認(rèn)

根據(jù)芳烴重整裝置的工藝特點，結(jié)合現(xiàn)場地理位置分布，在制作臺賬時將裝置劃分為五大區(qū)域：反應(yīng)區(qū)域(占比50.83%)、分餾區(qū)域(29.53%)、界區(qū)(0.48%)、燃料氣系統(tǒng)(8.99%)、再接觸區(qū)域(10.16%)。工藝人員對裝置密封點進(jìn)行編號，最終統(tǒng)計后密封點數(shù)為26 713個，其中難于檢測的密封點746個，可檢測的密封點25 967個。裝置密封點類型劃分為8類：閥門、法蘭、接頭、泵、采樣口、開口管線、其他，詳見表1。根據(jù)《上海石化LDAR工作管理規(guī)定》要求，不同密封點的檢測周期不同，詳見表2。

表1 裝置密封點類型統(tǒng)計

表2 密封點檢測周期對照

2.2 密封點泄漏數(shù)據(jù)分析

3#重整裝置于2017年1月1日至2018年12月31日期間共進(jìn)行8次季度檢測及4次半年度檢測，共計檢測113 972頻次。

根據(jù)中國石化頒布的《石化企業(yè)泄漏檢測與修復(fù)工作指南》及上海市發(fā)布的《設(shè)備泄漏揮發(fā)性有機(jī)物排放控制技術(shù)規(guī)程(試行)》規(guī)定，動設(shè)備(包括但不限于壓縮機(jī)、攪拌器和泵)的泄漏標(biāo)準(zhǔn)是2 000 μmol/mol，新建源的動設(shè)備的泄漏標(biāo)準(zhǔn)是1 000 μmol/mol，靜設(shè)備(包括但不限于閥門、法蘭、連接件、開口閥或開口管線、泄壓設(shè)備、取樣連接系統(tǒng))的泄漏標(biāo)準(zhǔn)是500 μmol/mol(2019年最新規(guī)定在泄漏標(biāo)準(zhǔn)上根據(jù)介質(zhì)不同有修改,文章由于數(shù)據(jù)區(qū)間是2017—2018年，為方便統(tǒng)計，以當(dāng)時的泄漏標(biāo)準(zhǔn)作統(tǒng)計依據(jù))。

按照檢測標(biāo)準(zhǔn)，共檢測出泄漏超標(biāo)點360處，其中重復(fù)泄漏超標(biāo)的密封點有3處，泄漏超標(biāo)率0.316%。下文將針對這360處泄漏點進(jìn)行分析。

2.2.1 不同密封類型泄漏情況分析

不同密封類型泄漏情況見表3所示。檢測人員在根據(jù)密封點臺賬對加熱爐燃料氣金屬軟管進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)除軟管接頭處存在泄漏超標(biāo)外，部分金屬軟管本身也存在泄漏，由于金屬軟管本身不作為泄漏點統(tǒng)計進(jìn)臺賬，故經(jīng)與設(shè)備人員協(xié)商，在統(tǒng)計時將其暫時納入接頭泄漏范圍。

表3 不同密封類型泄漏情況分析

設(shè)備密封類型主要包括閥、法蘭、采樣口、接頭等，不同密封類型的泄漏率差異較大，如表3所示占比最多的密封泄漏點類型為“閥”(41.11%)及“接頭”(45.00%)，兩者占總泄漏率總比的絕對多數(shù)，同一類型中泄漏率同比最多的為“采樣口”(33.33%)，泄漏原因具體分析如下。

(1)密封件老化。預(yù)緊力不夠、生銹、維護(hù)保養(yǎng)不到位，均容易造成密封件失效，主要是在閥門填料密封、法蘭墊片以及接頭連接。如現(xiàn)場閥門填料一般為膨脹石墨填料或石墨石棉編織，超過使用期限會引起材質(zhì)劣化、缺乏潤滑性與彈性；壓蓋、螺栓等部件由于機(jī)械損傷或銹蝕等原因，將導(dǎo)致壓蓋無法壓緊，以上情況都很容易會導(dǎo)致介質(zhì)外漏。

法蘭面的墊片在長期的應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力降低，裝置運(yùn)行過程中的溫度變化、機(jī)泵等設(shè)備產(chǎn)生的振動會加劇這一現(xiàn)象，最終導(dǎo)致法蘭處界面滲透量增大。

(2)操作不當(dāng)。最典型的有閥門開關(guān)過程中用力過猛，使閥桿磨損，填料磨壞是造成閥門處介質(zhì)泄漏的主要原因。其他還包括設(shè)備吹掃時打開導(dǎo)淋未及時關(guān)閉，放空閥門未完全關(guān)閉，未按要求關(guān)閉采樣口或頻繁采樣。

長周期運(yùn)行過程中日常的工藝波動造成的超溫超壓，導(dǎo)致管道部件的幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)處(法蘭、螺栓、接頭)的局部應(yīng)力增加，形成應(yīng)力峰值，也會增加泄漏風(fēng)險。

(3)安裝不當(dāng)或選用不當(dāng)造成密封組件泄漏，主要是法蘭、閥門等管閥件。典型的有：①安裝法蘭未受力均勻，安裝墊片存在機(jī)械損傷、徑向刻痕、嚴(yán)重腐蝕，會使密封件泄漏；②閥門填料選用不當(dāng)，未考慮到耐介質(zhì)的腐蝕，耐高壓或真空、高溫或低溫，填料安裝方式不對，存在著以小代大、上緊下松等缺陷都會造成密封件泄漏。

2.2.2 不同裝置區(qū)域泄漏情況分析

根據(jù)上海石化芳烴重整裝置的生產(chǎn)情況，泄漏點分為五大區(qū)域：反應(yīng)區(qū)域、分餾區(qū)域、界區(qū)、燃料氣系統(tǒng)、再接觸區(qū)域。每個區(qū)域的泄漏點及泄漏率統(tǒng)計見表4。

表4 不同區(qū)域泄漏情況統(tǒng)計

不同區(qū)域的泄漏率不同，通過表4可以看出：無論是總點數(shù)還是單一區(qū)域內(nèi)的泄漏率，燃料氣系統(tǒng)都是最高的。分析其原因，與重整四合一加熱爐區(qū)域燃燒器金屬軟管及接頭較多、軟管容易老化、接頭松動等原因有關(guān)。

現(xiàn)場加熱爐燒嘴的燃料氣金屬軟管規(guī)格為DN20 mm×600 mm，在現(xiàn)場實際安裝的過程中，受安裝空間的限制，導(dǎo)致金屬軟管部分空間彎曲較大，導(dǎo)致金屬軟管內(nèi)的網(wǎng)套變形，局部應(yīng)力過大，間隙泄漏風(fēng)險增加。

2.2.3 不同監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)間分布分析

由于裝置投用年限不是很長(2012年9月投料)，因此總體泄漏檢測情況尚可，如表5所示。泄漏區(qū)間在500～2 000 μmol/mol及2 000～5 000 μmol/mol的一般泄漏占總泄漏點數(shù)的74.12%；嚴(yán)重泄漏點，即檢測數(shù)據(jù)超過10 000 μmol/mol的密封點僅26處，占比7.22%。

表5 泄漏區(qū)間分布情況

3 改進(jìn)措施

(1)易老化密封件要定期維護(hù)，金屬軟管可以通過切換燒嘴定期進(jìn)行更換。有條件時對一些工況惡劣、高溫高壓部分的閥門填料及法蘭墊片進(jìn)行選擇性更換。

(2)注重材料的日常保管，避免墊片、閥門、泵用密封等材料在運(yùn)輸、儲存過程中受到機(jī)械損傷或擠壓變形，不得淋雨或置于溫度過高的地方，避免曝光照射。

(3)部件安裝要規(guī)范，尤其是法蘭、閥門和金屬軟管。墊片在安裝前，一定要檢查法蘭密封面的表面粗超度是否達(dá)到要求，有無徑向刻痕、銹蝕及其他機(jī)械損傷；墊片材質(zhì)、規(guī)格尺寸是否與法蘭面相匹配；一定要保證兩個法蘭面在同一中心線上平行。金屬軟管安裝前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合理長度，保證軟管在自然彎曲狀態(tài)下工作，安裝時要避免扭曲過度。

(4)提高對泄漏密封點的管理重視程度，改變思維慣性，從過去的“跑冒滴漏”的整改升級為預(yù)防性的維護(hù)，力爭從源頭上降低泄漏風(fēng)險。

(5)避免不當(dāng)操作。日常操作中，應(yīng)避免頻繁開關(guān)閥門、開關(guān)時不應(yīng)用力過猛造成閥桿彎曲變形。

(6)增加預(yù)緊力的方法只能作為泄漏維修的一個過渡措施，泄漏修復(fù)主要還是要運(yùn)用科學(xué)的修復(fù)方法。

(7)應(yīng)用新技術(shù)。主要從密封件材質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行升級，如成型填料、柔性石墨增強(qiáng)墊片等等，目前在上海石化已有小范圍應(yīng)用。

4 結(jié)語

上海石化芳烴重整裝置LDAR技術(shù)的使用，是創(chuàng)建綠色企業(yè)的一項重要內(nèi)容，通過對泄漏點的發(fā)現(xiàn)及治理，有效降低了現(xiàn)場異味，解決了裝置中存在的安全隱患，為裝置長周期、穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅實基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。