重油催化裂化裝置余熱鍋爐系統(tǒng)管道與爐體間機(jī)械密封改造

吳乙博

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司 廣西石化分公司 生產(chǎn)一部，廣西 欽州 535008)

中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司重油催化裂化裝置中有2臺(tái)CO焚燒爐和2臺(tái)余熱鍋爐[1]。裝置開(kāi)工正常運(yùn)行后，自催化裝置煙機(jī)來(lái)的565 ℃再生煙氣以7 087 m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的體積流量分2路進(jìn)入CO焚燒爐，每臺(tái)焚燒爐補(bǔ)燃50 m3/min燃料氣，燃燒用風(fēng)量為1 262 m3/min，出口煙氣體積流量為4 753 m3/min(900 ℃)。進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣依次經(jīng)過(guò)余熱鍋爐水保護(hù)段、過(guò)熱段、蒸發(fā)段和省煤段，溫度降至240 ℃進(jìn)入煙氣脫硫裝置[2]。為防止余熱鍋爐爐內(nèi)煙氣在管道與爐體開(kāi)孔的縫隙間外漏，同時(shí)考慮管道的冷熱伸縮量，在管道上安裝了不銹鋼材質(zhì)的波紋管膨脹節(jié)[3]。2臺(tái)余熱鍋爐運(yùn)行5 a后，安裝在與爐體有貫穿關(guān)系的管道上的部分波紋管膨脹節(jié)先后出現(xiàn)腐蝕開(kāi)裂、密封失效的情況。2016-11，在公司裝置大檢修及余熱鍋爐系統(tǒng)煙氣脫硝項(xiàng)目改造過(guò)程中，對(duì)2臺(tái)余熱鍋爐上原有的波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行了改造，并于2017-01重新投產(chǎn)運(yùn)行[4]。此次密封結(jié)構(gòu)改造共對(duì)2臺(tái)余熱鍋爐上3種規(guī)格(?219 mm、?273 mm、?325 mm)的80處波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行了更換，并隨煙氣脫硝項(xiàng)目新增35套新型機(jī)械密封填料函，安裝在煙氣脫硝催化劑床層支撐鋼梁與爐璧密封處[5]。

1 余熱鍋爐管道與爐體間密封改造背景

廣西石化分公司催化裂化裝置中余熱鍋爐的主要熱源是從再生器出來(lái)的高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐后，依次經(jīng)過(guò)水保護(hù)段、2級(jí)過(guò)熱段、4級(jí)蒸發(fā)段和2級(jí)省煤段，最后經(jīng)煙氣脫硫裝置或煙囪排出[6]。余熱鍋爐上的大量管道與爐體存在貫穿關(guān)系，管道與爐體開(kāi)孔間的縫隙即為需要密封的部位。安裝密封部位波紋管膨脹節(jié)時(shí)，首先將膨脹節(jié)套裝在管道上，再將其兩端分別與爐體外壁和爐外管道外壁滿焊連接，最后完成各管道的系統(tǒng)連接。安裝完成后波紋管膨脹節(jié)的正常使用狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 波紋管膨脹節(jié)正常使用狀態(tài)

波紋管膨脹節(jié)一般都是整體件，壁厚較薄、補(bǔ)償量小且易腐蝕破損。2臺(tái)余熱鍋爐運(yùn)行5 a后，波紋管膨脹節(jié)先后發(fā)生了腐蝕并逐漸形成裂紋或孔洞，導(dǎo)致煙氣泄漏，污染周圍環(huán)境[7]。

波紋管膨脹節(jié)是整體套裝在管道上，如果整體更換，需停運(yùn)余熱鍋爐，割斷管道，待膨脹節(jié)更換完成后再恢復(fù)管道連接，這樣會(huì)對(duì)裝置正常生產(chǎn)造成很大影響，維修成本也非常高[8]。如果采用在線修復(fù)方式，波紋管上不規(guī)則的裂縫與孔洞很難修補(bǔ)完整，較薄的壁厚也使焊接難度大為增加。因此，亟需解決余熱鍋爐系統(tǒng)管道與爐體間的密封和補(bǔ)償問(wèn)題，并改善密封元件后續(xù)的維修條件。

2 波紋管膨脹節(jié)泄漏機(jī)理

余熱鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，波紋管膨脹節(jié)內(nèi)腔長(zhǎng)期接觸煙氣，而煙氣中含有二氧化硫、氮氧化物和水蒸氣等成分，一定條件下會(huì)對(duì)膨脹節(jié)造成低溫?zé)煔飧g，運(yùn)行過(guò)程中這些成分含量越高，腐蝕越明顯[9]。余熱鍋爐煙氣部分成分在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[10]。

表1 余熱鍋爐煙氣部分成分在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

波紋管膨脹節(jié)安裝于余熱鍋爐爐體之外，工作溫度一般不高。在余熱鍋爐高溫段，膨脹節(jié)工作溫度約250 ℃。而在余熱鍋爐最下層的低溫段，膨脹節(jié)工作溫度僅約120 ℃。在余熱鍋爐設(shè)計(jì)說(shuō)明中明確指出，本地區(qū)余熱鍋爐系統(tǒng)的露點(diǎn)腐蝕溫度約267 ℃[11]。因此，波紋管膨脹節(jié)內(nèi)部發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的幾率非常大。加之2臺(tái)余熱鍋爐自2010-10催化裂化裝置首次開(kāi)工投用后，基本是在滿負(fù)荷工況下持續(xù)運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，很多波紋管膨脹節(jié)逐漸發(fā)生應(yīng)力腐蝕穿孔、疲勞破損等情況[12]。

3 余熱鍋爐機(jī)械密封改造

3.1 新型機(jī)械密封填料函設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)

新型機(jī)械密封填料函設(shè)計(jì)思路為，在不改變余熱鍋爐系統(tǒng)管道的條件下，將機(jī)械密封填料函設(shè)計(jì)為分體組合式結(jié)構(gòu)，組合部分用高強(qiáng)度螺栓串聯(lián)連接，安裝時(shí)填料函與爐體焊接，內(nèi)部壓填多道填料密封，再將壓蓋組對(duì)在管道上，最后用螺栓把壓蓋與填料函壓緊。設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留合理的焊接安裝位置和角度，方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝施工和日后的維修更換[13]。新型機(jī)械密封填料函結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖2 新型機(jī)械密封填料函結(jié)構(gòu)

圖3 新型機(jī)械密封填料函實(shí)物

3.2 新型機(jī)械密封填料函制造安裝考慮因素

新型機(jī)械密封填料函組件及壓蓋的整體結(jié)構(gòu)均為對(duì)半中分式，分為上半部分和下半部分，上、下半部分用高強(qiáng)度螺栓串聯(lián)連接壓緊。為了保證中分面的平整性，加工時(shí)將中分面在磨床上磨平。中間填料用填料盤根進(jìn)行密封，并采用4道聯(lián)裝。為了保證填料的密封效果，壓蓋與填料的接觸端面加工面為內(nèi)切面，可以使填料更好地抱緊管道軸徑。為了減輕整體質(zhì)量，統(tǒng)一填料函的壁厚。在滿足壓緊力矩的情況下，將壓蓋與填料函的串聯(lián)部分設(shè)計(jì)為單耳連接，使其比法蘭連接更為輕便。

為了節(jié)約成本和便于施工，在滿足工況使用條件的情況下，新型機(jī)械密封填料函的材料選用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的低碳鋼Q235。考慮到密封介質(zhì)為煙氣，溫度高且有腐蝕性，內(nèi)部填料選用規(guī)格為30 mm×30 mm的石墨盤根。經(jīng)試驗(yàn)，石墨盤根比普通芳綸盤根使用效果更理想。

考慮管道不規(guī)則性，為確定填料函內(nèi)孔與管道外徑的間隙，在測(cè)繪出爐璧處管道外徑最大值之后，設(shè)定好填料函在管徑上的實(shí)際密封長(zhǎng)度，計(jì)算填料函內(nèi)孔壁與管道外管壁角度為±5°時(shí)的填料函內(nèi)孔與管道外徑間隙值，以滿足工況所需?？紤]填料函安裝位置后，應(yīng)預(yù)留出合理的焊接位置，同時(shí)計(jì)算出適宜的填料函整體厚度尺寸，以保證填料函的安裝。

填料函制造公差、壓蓋與填料函配合公差標(biāo)準(zhǔn)均為GB/T 1804—2000《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差》[14]，填料函形位公差標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1184—1996《形狀和位置公差 未注公差值》[15]。

3.3 新型機(jī)械密封填料函安裝注意事項(xiàng)

新型機(jī)械密封填料函安裝位置見(jiàn)圖4。

圖4 新型機(jī)械密封填料函安裝圖

新型機(jī)械密封填料函安裝和使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①在切除原波紋管膨脹節(jié)及安裝新填料函過(guò)程中，爐內(nèi)煙氣會(huì)外漏至周圍環(huán)境，作業(yè)人員須做好個(gè)人防護(hù)，且應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)。②切除波紋管膨脹節(jié)時(shí)，應(yīng)防止將管道割傷或損壞。膨脹節(jié)切除后，爐體外壁和管道外壁均需進(jìn)行打磨處理，以滿足后續(xù)施焊要求和盤根使用要求。③切割石墨盤根時(shí)要測(cè)量準(zhǔn)確，各層盤根的切口應(yīng)錯(cuò)位布置。④填料函安裝完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)爐體外壁進(jìn)行防腐保護(hù)。⑤填料函壁厚較大，低溫?zé)煔飧g不易對(duì)填料函造成大的損傷。當(dāng)填料函密封效果變差時(shí)，僅需將壓蓋再壓緊或打開(kāi)壓蓋后更換內(nèi)部盤根即可。

4 結(jié)語(yǔ)

余熱鍋爐管道與爐體間新型機(jī)械密封填料函采用設(shè)計(jì)合理的分體組合結(jié)構(gòu)，材料易得，既便于制造、安裝和維護(hù)，還可隨時(shí)進(jìn)行在線操作。填料函式的密封形式又使其具有良好的密封和補(bǔ)償效果，密封發(fā)生故障和失效后的維修成本及操作難度大為降低。2017年催化裂化裝置重新投產(chǎn)運(yùn)行，新型機(jī)械密封填料函使余熱鍋爐上所有爐體與管道間的環(huán)形貫穿間隙均得到了良好密封和補(bǔ)償，解決了余熱鍋爐煙氣泄漏問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了重油催化裂化裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行[16]。新型機(jī)械密封填料函投運(yùn)至今運(yùn)行良好，未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

新型機(jī)械密封填料函除了可以在余熱鍋爐上安裝使用外，對(duì)于類似的工況場(chǎng)所，均可在設(shè)備與管道之間建立可靠的密封和補(bǔ)償關(guān)系，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。