高壓洗滌器氣液分離筒體失穩(wěn)原因分析及應(yīng)對(duì)措施

程 萍，謝鴻適

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

中國(guó)石油寧夏石化公司化肥三廠45/80 大化肥項(xiàng)目于2018 年4 月26 日一次投料成功，5 月9 日裝置全流程打通產(chǎn)出成品尿素。尿素裝置高壓系統(tǒng)的核心設(shè)備─高壓洗滌器，其作用是部分洗滌合成氣中的CO2與氨，然后將洗滌后的濃甲銨液經(jīng)高壓噴射器返回到高壓甲銨冷凝液器、尿素合成塔，繼續(xù)參與反應(yīng)。但是在運(yùn)行過(guò)程，自尿素投料以來(lái)，其尿素系統(tǒng)的出氣溫度嚴(yán)重超標(biāo)；高壓系統(tǒng)壓力超標(biāo)，沒(méi)有控制余量，低壓系統(tǒng)負(fù)荷不堪重負(fù)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的運(yùn)行。于2018 年6 月8 日對(duì)洗滌器E3203 頂部人孔進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)上部防爆空間內(nèi)的筒體失穩(wěn)。

1 流程及設(shè)備簡(jiǎn)述

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

從合成塔出來(lái)的工藝氣，先進(jìn)入高壓洗滌器（E3203）上部的防爆空間，作為防爆的惰性氣體，然后從防爆空間出來(lái)通過(guò)自循環(huán)管線到達(dá)下部浸沒(méi)式冷凝器，與從中心管流下的甲銨液在底部混合。由于冷凝器充滿了甲銨液，氣體在列管內(nèi)鼓泡和甲銨液一起并行上流。氣體中的NH3和CO2大部分在這里被冷凝，冷凝和反應(yīng)放出的大量熱量被殼側(cè)的高壓調(diào)溫水帶走。

在下部浸沒(méi)式冷凝段未能冷凝的氣體，進(jìn)到中部的鼓泡段。經(jīng)鼓泡吸收后的氣體，含有少量的氨和二氧化碳送往第一吸收塔（C3201）。

從高壓洗滌器（E3203）上部空腔中部溢流處的甲銨液，其壓力與合成塔頂部的壓力相等。用高壓噴射器（J3201）將其引入較高壓力的甲銨冷凝器（E3202）（約高處0.3 MPa）。來(lái)自氨泵P3101A/B 的液氨，壓力約為18 MPa，進(jìn)入高壓噴射器，作為噴射動(dòng)力源，將高壓洗滌器（E3203）來(lái)的甲銨送入甲銨冷凝器（E3202）內(nèi)。

1.2 設(shè)備簡(jiǎn)介

高壓洗滌器（E3203）為立式列管式換熱器，由三部分組成：上部為預(yù)防爆炸而充以惰性氣體的空間，防爆空間，中部為鼓泡吸收段，下部為管式浸沒(méi)冷凝段。

換熱管總根數(shù)682 根，換熱面積286.6 m2，管程介質(zhì)為尿素、氨、二氧化碳、甲銨液等；殼程介質(zhì)為高壓調(diào)溫水（見(jiàn)表1）。

表1 換熱器技術(shù)參數(shù)表

2 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)2018 年5 月28 日投料運(yùn)行60 h，發(fā)現(xiàn)高壓洗滌器下液溫度TI3219 偏高，在176 ℃左右（設(shè)計(jì)165 ℃），出氣溫度TI3215 偏高，在175 ℃左右，最高達(dá)到181 ℃（設(shè)計(jì)115 ℃），嚴(yán)重偏離指標(biāo)。高壓調(diào)溫水進(jìn)出口溫度投料后期無(wú)溫差、正常生產(chǎn)時(shí)溫差偏小，并且高壓調(diào)溫水溫度調(diào)整難度大。高壓系統(tǒng)壓力PI3205 偏高，75 %負(fù)荷下高壓系統(tǒng)壓力PI3205 在13.5 MPa 左右，高壓放空閥HV3205 閥位開度已達(dá)到100 %，沒(méi)有調(diào)節(jié)余量；C3201 液相溫度高達(dá)80 ℃（設(shè)計(jì)50 ℃）。

3 原因分析

從這些現(xiàn)象進(jìn)行分析，初步判斷高壓洗滌器設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障，利用停車時(shí)機(jī)對(duì)高壓洗滌器填料段、小人孔、中心降液管等內(nèi)部部件進(jìn)行檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)件氣液分離段嚴(yán)重變形，防爆空間內(nèi)出液管線接口焊縫開裂。

3.1 工藝流程分析

變形主要集中在冷凝器上管口至冷凝液下液口之間的氣液分離段，說(shuō)明分離段內(nèi)外出現(xiàn)壓差，導(dǎo)致分離段筒體嚴(yán)重失穩(wěn)（見(jiàn)圖1、圖2），其人孔變形（見(jiàn)圖3），下液管線管口焊縫開裂（見(jiàn)圖4），體現(xiàn)在工藝上就是大部分合成氣走短路，未經(jīng)冷凝段進(jìn)行冷凝直接進(jìn)入冷凝器上氣液分離空間，使E3203 下液溫度TI3219 偏高，排放尾氣溫度TI3215 偏高,高壓調(diào)溫水溫差小或無(wú)溫差。同時(shí)，由于高壓洗滌器未冷凝，造成高壓系統(tǒng)壓力偏高，致使高壓放空閥無(wú)法關(guān)小，HV3205 開度一直在100 %。

3.2 失穩(wěn)受力分析

原設(shè)計(jì)中，氣液分離筒體內(nèi)外無(wú)壓差，但是在實(shí)際運(yùn)行中內(nèi)外一旦形成較大的壓差就會(huì)對(duì)設(shè)備造成損傷：E3203 氣液分離筒體內(nèi)通過(guò)控制閥門泄壓到第一吸收塔，其壓力在0.35 MPa，而高壓合成塔送來(lái)的氣相則是高壓壓力，達(dá)到13.5 MPa；其下液管內(nèi)連接的是高壓噴射器，其HV3217 噴射形成的抽真空壓力也是高壓壓力；因此筒體在其內(nèi)外壓差下，導(dǎo)致了其失穩(wěn)；而筒體與出液管線是焊縫連接，筒體的失穩(wěn)必定牽引到下液管線，導(dǎo)致連接的焊縫受拉應(yīng)力作用開裂。

圖1 氣液分離段變形

圖2 筒體內(nèi)部變形情況

圖3 筒體上人孔變形

圖4 出液管線焊縫開裂

圖5 氣液分離段焊縫

圖6 下液罐焊縫

3.3 高壓洗滌器列管結(jié)晶

通過(guò)中控DCS 趨勢(shì)分析造成變形的主要原因由于裝置在沒(méi)有蒸汽的情況下封塔時(shí)間長(zhǎng)（60 h），造成高壓洗滌器大部分中部鼓泡段的列管及中心下液管結(jié)晶，排塔結(jié)束后又未及時(shí)進(jìn)行熱煮沖洗，造成了原來(lái)的流程管路不暢，當(dāng)裝置投料后高壓放空閥HV3205 突然開大，而高壓噴射器HV3217 噴射形成的抽真空壓力較高，于是使得高壓洗滌器的氣液分離空間壓力降低，內(nèi)外形成壓差，導(dǎo)致氣液分離段嚴(yán)重變形。

4 措施

4.1 降低高壓洗滌器液位

在系統(tǒng)不同情況制定不同措施以控制高壓洗滌器的液位：運(yùn)行情況下，控制高壓噴射器HV3217 壓差小于2.0 MPa；在裝置低負(fù)荷（70 %）運(yùn)行時(shí)，控制高壓調(diào)溫水的進(jìn)口溫度TI3209 在120 ℃，裝置高負(fù)荷（80 %以上）運(yùn)行時(shí)控制高壓調(diào)溫水的進(jìn)口溫度TI3209 在110 ℃；隨高壓系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)，及時(shí)調(diào)整高壓調(diào)溫水溫度，保證溫差正常，將氨預(yù)熱器控制液氨溫度在100 ℃～105 ℃。當(dāng)裝置在封塔停車后，高壓氨泵運(yùn)行一段時(shí)間將高壓洗滌器液位出液管液位LI3204 顯示為零時(shí)，再停運(yùn)，避免高壓洗滌器因溫度低而結(jié)晶。每次封塔必須打開高壓洗滌器排放，經(jīng)過(guò)排塔管線排放0.5 h以上，將高壓洗滌器液位排空。

4.2 提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率

優(yōu)化系統(tǒng)工況，提高高壓系統(tǒng)氨碳比在3.0～3.3，關(guān)小高壓放空閥和第一吸收塔放空閥位。

4.3 增設(shè)高壓洗滌器到高壓噴射器管線的鈷源液位計(jì)，監(jiān)控液位

利用技術(shù)改造將化肥二廠原有高壓洗滌器的鈷源進(jìn)行利舊，增加高壓洗滌器鈷源液位計(jì)。在高壓洗滌器到高壓噴射器管線增加鈷源液位計(jì)，這樣就能更好的判斷高壓洗滌器液位情況，不僅可以降低空塔開車置換時(shí)間，而且還能根據(jù)液位及時(shí)調(diào)整高壓就地放空，調(diào)整高壓系統(tǒng)壓力。

4.4 避免列管結(jié)晶措施

根據(jù)上述原因分析，針對(duì)停車過(guò)程中，高壓洗滌器列管結(jié)晶的可能，完善操作規(guī)程，在操作規(guī)程中增加操作注意事項(xiàng)。尤其是在高壓系統(tǒng)停車操作程序中增加應(yīng)對(duì)E3203 結(jié)晶的措施，對(duì)E3203 整體沖洗兩遍。如：在E3203 排放管線沖洗后，關(guān)閉第二道排放閥，向E3203 充液，待出液管線溫度測(cè)點(diǎn)TI3219 溫度發(fā)生明顯變化后停止充液，開第二道排放閥，排放E3203，排放10 min 后按同樣操作再充液排放一次，關(guān)閉第二道排放閥，向E3203 充液5 min 后停止充液。

4.5 制作新的套筒

按照設(shè)計(jì)要求，筒體的材質(zhì)為00Cr25Ni22Mo2 不銹鋼，厚度5 mm，焊接材料E25.22.2LMnB（原BM310Mo-L），所有焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)。重新制作的氣液分離筒體，利用檢修機(jī)會(huì)，重新安裝完成。

5 效果及驗(yàn)證

2019 年4 月，裝置進(jìn)入開車階段，鑒于之前發(fā)生過(guò)高壓洗滌器故障，崗位操作人員嚴(yán)格按照已定的操作規(guī)程進(jìn)行操作，尿素系統(tǒng)開車順利進(jìn)行，高壓系統(tǒng)壓力及高壓調(diào)溫水溫差均在控制范圍，截止8 月裝置完成了既定的生產(chǎn)任務(wù)。

在2019 年9 月停車檢修期間，對(duì)高壓洗滌器內(nèi)件進(jìn)行檢查，筒體封頭情況（見(jiàn)圖5），出液管線焊縫（見(jiàn)圖6）均完好無(wú)損，證明了上述原因分析是正確的，其整改措施針對(duì)高壓洗滌器上部防爆空間內(nèi)的氣液分離罐筒體變形是有效的且效果顯著。