油漿蒸汽發(fā)生器內(nèi)外漏分析思路及措施建議

沈鵬年

（中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司煉油廠， 江蘇 南京 210000）

揚(yáng)子石化煉油廠2#催化聯(lián)合裝置設(shè)計(jì)能力200萬(wàn)噸/年，于2014年7月正式投產(chǎn)運(yùn)行，生產(chǎn)工藝采用洛陽(yáng)院MIP-CGP技術(shù)。自開(kāi)工以來(lái)，分餾塔底油漿蒸汽發(fā)生器頻繁發(fā)生泄漏故障，對(duì)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行造成了較大影響，同時(shí)存在極大的安全隱患。

1 設(shè)備概況

2#催化循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213ABC型號(hào)為BJS1600-3.9/4.87-673-6/25-6I，由中石化洛陽(yáng)工程有限公司設(shè)計(jì)，洛陽(yáng)雙瑞特種設(shè)備有限公司制造。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213ABC參數(shù)

2 故障情況

2.1 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器內(nèi)漏

運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)催化外甩油漿流量不穩(wěn)，在10-15t/h范圍內(nèi)波動(dòng)，將外甩油漿由直供焦化改至罐區(qū)，仍無(wú)好轉(zhuǎn)，嘗試調(diào)節(jié)閥改手動(dòng)、切副線、切換機(jī)泵等措施，都未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。后安排清理外甩油漿泵過(guò)濾器，過(guò)濾器內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯異物，處理后再次投用機(jī)泵仍無(wú)好轉(zhuǎn)。嘗試啟用油漿泵跨線、停用機(jī)泵，調(diào)整后外甩流量穩(wěn)定。但再次啟泵后仍出現(xiàn)上述問(wèn)題，仍保持油漿外甩至罐區(qū)。

原因分析如下：

（1）在油漿蒸汽發(fā)生器E-213A、C出口分別采樣，分析水含量分別為0.03%和1.2%，后者明顯高于正常水平，且差異較大。

（2）E-213A、C油漿側(cè)出口溫度變化如圖1所示，原C臺(tái)油漿側(cè)出口溫度比A臺(tái)高10℃左右（C臺(tái)換熱效果相對(duì)差）。隨混合原料溫度降低（換熱流程見(jiàn)圖2，塔底油漿先經(jīng)E212/215和原料油換熱，再進(jìn)油漿蒸汽發(fā)生器E-213），E-203進(jìn)口的油漿溫度降低，出口溫度也相應(yīng)降低，換熱效果好的E213A臺(tái)出口溫度應(yīng)該降幅更大，但趨勢(shì)正好相反，說(shuō)明C臺(tái)水汽漏入油漿。

圖1 E-213A/C油漿側(cè)出口溫度變化

圖2 分餾塔底換熱流程

（3）分餾塔頂部溫度變化如圖3所示。同樣控制粗汽油終餾點(diǎn)206-210℃，分餾塔頂溫相對(duì)正常溫度低2℃（反應(yīng)和分餾注汽未增加），說(shuō)明分餾塔頂水汽分壓升高、油氣分壓降低。

圖3 分餾塔頂溫度變化

備注：下個(gè)點(diǎn)失真是由于PHD系統(tǒng)問(wèn)題。

2.2 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器外漏

開(kāi)工準(zhǔn)備階段，安排對(duì)汽包V 1 6 0 2、E213ABC殼程進(jìn)行鍋爐水系統(tǒng)試壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力提升至4.0MPa時(shí)，E213ABC殼程管箱側(cè)墊片同時(shí)泄漏。安排檢修，檢修后在進(jìn)行系統(tǒng)壓力聯(lián)試時(shí)E213C管箱側(cè)墊片又出現(xiàn)大量泄漏，安排C臺(tái)切出檢修。裝置正常進(jìn)料開(kāi)工，在開(kāi)工過(guò)程中E213AC后頭蓋墊片泄漏，經(jīng)檢修后投用C臺(tái)，投用不久C管箱側(cè)墊片出現(xiàn)較大泄漏。裝置投運(yùn)35天后，B臺(tái)管箱側(cè)墊片泄漏，同時(shí)運(yùn)行35天的A臺(tái)管箱側(cè)墊片泄漏。

3 檢修及故障分析

表2 油漿蒸汽發(fā)生器外漏統(tǒng)計(jì)

圖4 B臺(tái)泄漏位置

圖5 A臺(tái)泄漏位置

3.1 油漿蒸汽發(fā)生器內(nèi)漏

對(duì)E213C進(jìn)行檢修，拆除管箱后，發(fā)現(xiàn)固定管板表面局部位置有結(jié)垢硬物，判斷該處部位管束存在泄漏，見(jiàn)圖6。

管束經(jīng)射流清洗后，進(jìn)行水壓試漏，在灌水過(guò)程中圖6結(jié)垢處管口焊縫就開(kāi)始漏水，檢查泄漏部位，在管口焊縫上有明顯的環(huán)向裂紋，部分裂紋已擴(kuò)展到相鄰的管口焊縫上，焊縫開(kāi)裂情況見(jiàn)圖7。

圖6 管束泄漏位置

圖7 焊縫開(kāi)裂位置

考慮盡量不減少換熱面積，對(duì)裂紋的處理以打磨及補(bǔ)焊修復(fù)方法為主，補(bǔ)焊工藝按照廠家技術(shù)人員要求執(zhí)行，對(duì)于補(bǔ)焊無(wú)效的采用堵管方式。因E213換熱器在管板上管束進(jìn)物料管口部位襯有不銹鋼短管，短管與管束口部位焊接采用不銹鋼ER309焊條；管束物料出口部位未襯不銹鋼短管，管束與管板處焊接采用碳鋼ER50-6焊條，全部采用氬弧焊。

在對(duì)裂紋部位打磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分兩管束之間的縱向裂紋在管板上的深度較深，在打磨5mm時(shí)仍未徹底消除裂紋。另外，在補(bǔ)焊時(shí)，由于焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，導(dǎo)致原先無(wú)裂紋的部位在相鄰部位焊接后又出現(xiàn)了新裂紋，并產(chǎn)生了泄漏。

在管束處理過(guò)程中，聯(lián)系檢測(cè)單位有關(guān)人員對(duì)管板進(jìn)行了硬度檢測(cè)。由于檢測(cè)單位提供的儀器無(wú)法檢測(cè)管口與管板處的焊縫，只能在管板四周及中間無(wú)管束部位進(jìn)行檢測(cè)。使用儀器HLN-11A，共采集8點(diǎn)，最高值為160HL，最低為139HL。由于無(wú)法檢測(cè)到管口與管板脹焊處焊肉的硬度值，因此，在管板上所檢測(cè)的硬度值并不能說(shuō)明焊縫開(kāi)裂的原因。

鑒于在管板上修復(fù)時(shí)漏點(diǎn)消除一處打壓時(shí)又會(huì)新增一處，或者是原處理過(guò)的部位再次發(fā)生泄漏，聯(lián)系南京工業(yè)大學(xué)有關(guān)技術(shù)研究人員，嘗試對(duì)管板進(jìn)行噴丸消應(yīng)力處理。

經(jīng)廠房噴丸消應(yīng)力處理后的管束送至現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行試壓。在對(duì)漏點(diǎn)處理過(guò)程中仍有新的漏點(diǎn)出現(xiàn)，繼續(xù)對(duì)管束進(jìn)行上述消漏處理，此時(shí)共堵管47根。堵管后如圖8所示。

圖8 堵管后換熱器管束

原因分析：E213C換熱器管板泄漏主要集中在固定管板上，浮動(dòng)管板側(cè)無(wú)泄漏。經(jīng)結(jié)合其他催化裝置油漿換熱器管束泄漏問(wèn)題的分析，造成換熱器管板與管口焊縫處開(kāi)裂的主要原因是應(yīng)力集中導(dǎo)致的焊縫開(kāi)裂。經(jīng)咨詢廠方技術(shù)人員，本裝置正在使用的3臺(tái)循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器管束在消除焊接應(yīng)力和熱應(yīng)力方面未做任何特別處理。而管板兩側(cè)溫度和管板上下部位的溫度都不同，管板受徑向、切向的溫差應(yīng)力；因管板和管束脹接在一起，管板有焊接殘余應(yīng)力；因蒸汽的產(chǎn)生氣泡的破裂，管板受氣泡破裂時(shí)的爆破力；汽-液兩相流誘發(fā)的誘導(dǎo)振動(dòng)加劇管束振動(dòng)，使管板焊接接頭部位產(chǎn)生循環(huán)載荷及裝配應(yīng)力等，這些力相互疊加使管板承受較大的拉應(yīng)力[1,2]。最終導(dǎo)致管板上的焊縫易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

改進(jìn)措施：經(jīng)咨詢兄弟企業(yè)，已有單位設(shè)計(jì)出在管板上加剪應(yīng)力槽的方法來(lái)降低管束與管板焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。車間將采用此新技術(shù)，更換原有管束，以改善油漿蒸汽發(fā)生器的使用狀況。

3.2 油漿蒸汽發(fā)生器外漏

油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213AB泄漏時(shí)，工藝生產(chǎn)操作平穩(wěn)，詳細(xì)工藝操作參數(shù)見(jiàn)圖9所示。根據(jù)歷史趨勢(shì)，汽包21100-V1602壓力持續(xù)穩(wěn)定，分餾塔塔底油漿循環(huán)量及溫度平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

確認(rèn)油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213ABC發(fā)生器管箱側(cè)墊片泄漏原因不是工藝操作波動(dòng)導(dǎo)致。

換熱器管箱螺栓規(guī)格為M48×3×720，材質(zhì)35CrMoA。經(jīng)查HG/T 20613及JB/T 4707，此規(guī)格螺栓力學(xué)性能見(jiàn)表3。螺栓使用壓力及溫度范圍見(jiàn)表4。

圖9 油漿及汽包工藝操作參數(shù)歷史趨勢(shì)圖

表3 螺栓力學(xué)性能表

表4 螺栓使用壓力及溫度范圍

從上述兩表中可見(jiàn)循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器管箱螺栓力學(xué)性能、使用壓力及溫度范圍符合要求，但35CrMo材質(zhì)螺栓力學(xué)性能和使用溫度范圍不及25Cr2MoV材質(zhì)螺栓。

循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213ABC墊片設(shè)計(jì)選用金屬石墨波齒復(fù)合墊。循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器在裝置開(kāi)工前試壓時(shí)曾發(fā)生墊片泄漏，后更換全部墊片重新打壓。在水壓試驗(yàn)升壓過(guò)程中，管箱側(cè)墊片、外頭蓋墊片一直有滲漏現(xiàn)象。為消除升壓時(shí)墊片滲漏，采用液壓扳手提高扭矩緊固螺栓。循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器螺栓預(yù)緊計(jì)算扭矩如表5所示。

表5 油漿蒸汽發(fā)生器21100-E213ABC螺栓預(yù)緊扭矩表

最終水壓試驗(yàn)5.0MPa時(shí)螺栓緊固扭矩達(dá)到了8000N·m。過(guò)高的螺栓緊固扭矩使得墊片石墨復(fù)合層受擠壓變形，且變形量過(guò)大，失去調(diào)節(jié)彈性，導(dǎo)致墊片易發(fā)生泄漏。

換熱器墊片選型不合適。經(jīng)與洛陽(yáng)工程公司溝通，其推薦油漿蒸汽換熱器墊片選用雙金屬自密封波齒復(fù)合墊，且在其他同類型裝置油漿蒸汽換熱器上使用良好，未發(fā)生過(guò)泄漏。雙金屬自密封波齒墊片的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使墊片內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力隨著內(nèi)壓的升高而增大，實(shí)現(xiàn)可靠的密封，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到一定值時(shí)，雙金屬自密封波齒墊片內(nèi)側(cè)波峰處接觸應(yīng)力大于外側(cè)且隨著內(nèi)壓增加而增加[3]。

4 解決措施及效果驗(yàn)證

4.1 2015年裝置大修時(shí)，將原換熱器芯子更換，管口部位采用減應(yīng)力槽設(shè)計(jì)，自投用后，運(yùn)行至2020年未出現(xiàn)任何內(nèi)漏。

圖10 換熱器外漏原因分析（魚(yú)骨圖）

圖11 換熱器外漏原因分析及應(yīng)對(duì)措施

4.2 循環(huán)油漿蒸汽發(fā)生器墊片由金屬石墨波齒復(fù)合墊改為雙金屬自密封波齒復(fù)合墊；管箱螺栓材質(zhì)由35CrMoA提升至25Cr2MoV；換熱器檢修完成后，螺栓由專業(yè)廠家進(jìn)行定力矩緊固。采取上述措施后，至2020年未出現(xiàn)任何外漏。

5 總結(jié)

催化裝置油漿蒸汽發(fā)生器管束管口開(kāi)裂是由于未進(jìn)行有效焊后熱處理，造成管口部位焊縫硬度高，未有效的消除殘余應(yīng)力，在開(kāi)工過(guò)程中與溫差應(yīng)力疊加后造成焊接接頭高應(yīng)力部位發(fā)生開(kāi)裂。墊片形式的不合理及換熱器未有效熱緊，導(dǎo)致?lián)Q熱器法蘭頻繁外漏。

從以上的分析可以看出制造廠的制造質(zhì)量是油漿發(fā)器泄漏的主要原因之一，原始設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備操作工況應(yīng)充分考慮，在特殊工況下，密封件及緊固應(yīng)提出較高要求，所以，控制好制造質(zhì)量關(guān)，合理的選型，嚴(yán)格的施工標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)平穩(wěn)工藝操作是避免油漿發(fā)器泄漏的主要手段。