引起套管結(jié)晶器安全銷被剪斷的情況分析及解決措施

張超(泰州石油化工有限責(zé)任公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

套管結(jié)晶器是石油煉廠潤(rùn)滑油生產(chǎn)裝置中使含蠟油結(jié)晶脫蠟和化工生產(chǎn)中從液體中析出固體使其結(jié)晶以便于分離的主要設(shè)備之一，其作用是通過冷卻介質(zhì)與含蠟油或化工原料的熱交換，使含蠟油中的結(jié)晶體冷凍結(jié)晶，以便經(jīng)過濾機(jī)或其他分離設(shè)備過濾，使固液分離。

目前各煉廠的酮苯脫蠟裝置所使用的套管結(jié)晶器有68m2、70 m2、90 m2、105 m2、110 m2、130 m2等多種系列。68 m2套管結(jié)晶器的內(nèi)外管直徑分別為DN150和DN200，內(nèi)管直徑小，阻力降大，容易堵塞，需要經(jīng)常用溶劑融化內(nèi)管壁上的結(jié)晶蠟；傳動(dòng)軸受交變應(yīng)力的作用，常常出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象；傳動(dòng)軸填料處容易泄漏；設(shè)備故障率高，維修工作量大。105 m2及以上的套管結(jié)晶器的內(nèi)外管直徑較大，介質(zhì)流動(dòng)阻力降小，內(nèi)管不易被結(jié)晶蠟堵塞，減少了溶劑融化內(nèi)管的次數(shù)，有利于平穩(wěn)操作，并能提高裝置的處理量；同時(shí)采用新型傳動(dòng)頭，傳動(dòng)軸受力合理，避免了斷軸現(xiàn)象；傳動(dòng)軸填料處密封效果大大提高；設(shè)備耗電量小，故障率低，設(shè)備維修工作量大大減少，故105 m2及以上的套管結(jié)晶器已在煉油廠酮苯脫蠟裝置中廣泛使用。套管結(jié)晶器的發(fā)展趨勢(shì)是向內(nèi)管直徑大型化方向發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的套管結(jié)晶器內(nèi)管直徑已發(fā)展到DN200，甚至還有DN300的。

泰州石油化工有限責(zé)任公司自1985年酮苯脫蠟裝置開工以來套管結(jié)晶器(型號(hào)：105HI-200×250、105AI-200×250)傳動(dòng)軸磨損、填料失效過快、密封泄漏，刮刀軸載荷大，安全銷被頻繁剪斷等問題一直困擾著酮苯脫蠟裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。為徹底改變此種現(xiàn)狀，同步節(jié)約維修費(fèi)用，杜絕現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境低標(biāo)準(zhǔn)問題發(fā)生，減少操作人員和檢維修人員工作負(fù)擔(dān)，經(jīng)過長(zhǎng)期的反復(fù)探索、分析、計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)勘查及對(duì)照實(shí)驗(yàn)，最終得到了一整套解決方案。

1 套管結(jié)晶器安全銷的結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)

(1)在每一個(gè)傳動(dòng)頭部件上均設(shè)有兩個(gè)安全銷，互成180°布置，將動(dòng)力均勻地傳遞給刮刀軸，并起著過載保護(hù)作用，以防止刮刀軸因超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而造成設(shè)備事故，所以在任何情況下，都不能任意加大安全銷的結(jié)構(gòu)尺寸和改變材質(zhì)。安全銷的材質(zhì)一般選用脆性材料，通常選用淬硬鋼(45#)或硬銅(H62)材質(zhì)。

(2)安全銷最小直徑的確定：

式中：d為安全銷最小直徑(mm)；T為扭矩(N·mm)；D為安全銷位于中心圓直徑(mm)；Z為安全銷個(gè)數(shù)；τ為材料剪切強(qiáng)度極限(MPa)，τ=(0.6～0.7)σ，σ為材料抗拉強(qiáng)度(MPa)。

以泰州石油化工有限責(zé)任公司套管結(jié)晶器(型號(hào)：105HI-200×250、105AI-200×250)為例，通過隨機(jī)資料和計(jì)算可以得出d=8 mm。套管結(jié)晶器安全銷如圖1所示。

圖1 套管結(jié)晶器安全銷

由此可見，安全銷的結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)是有限制的，為了確保套管結(jié)晶器在安全銷不被剪斷的情況下，能夠持續(xù)穩(wěn)定長(zhǎng)周期的運(yùn)行，故作以下分析。

2 套管結(jié)晶器安全銷被剪斷的情況

2.1 密封填料壓得過緊引起安全銷被剪斷

在每根套管的前端設(shè)有填料盒，它的作用是用密封填料將內(nèi)管中的介質(zhì)封住不外泄，同時(shí)還對(duì)傳動(dòng)軸起支承作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和隨機(jī)資料可知填料盒主要由1道填料壓環(huán)、1道填料支承環(huán)和7道填料密封環(huán)組成，壓縮量約為20%。

使用過程中由于傳動(dòng)軸和密封圈相繼磨損，會(huì)造成填料失效，介質(zhì)外泄，此時(shí)為了制止泄漏，檢維修人員往往會(huì)不斷緊固填料盒密封圈壓蓋，增加壓縮量，最終導(dǎo)致密封填料壓得過緊，傳動(dòng)軸載荷大，安全銷被剪斷。

2.2 刮刀彈簧載荷不當(dāng)引起安全銷被剪斷

套管結(jié)晶器刮刀軸總成是主要工作部件之一，它是由四根刮刀軸和三個(gè)單向旋轉(zhuǎn)的自鎖式支撐架組成，使刮刀軸處于內(nèi)管內(nèi)徑的軸心線位置，刮刀與刮刀軸組成框式攪拌器，相鄰兩框架成90°交錯(cuò)布置并相互覆蓋50～75 mm。刮刀靠支承座上彈簧的作用貼合在套管內(nèi)壁上，起著刮除結(jié)晶體的作用，同時(shí)還對(duì)工作介質(zhì)起著攪拌的作用[1]。

若刮刀彈簧載荷過大會(huì)導(dǎo)致刮刀與內(nèi)管壁接觸壓力大，一方面使得刮刀磨損過快，另一方面刮刀軸整體載荷大，導(dǎo)致安全銷被剪斷；若刮刀彈簧載荷過小會(huì)導(dǎo)致刮刀與內(nèi)管壁接觸壓力小，不能夠刮除附著于內(nèi)管壁上的蠟結(jié)晶，造成蠟結(jié)晶堆積，內(nèi)管阻力降大，導(dǎo)致安全銷被剪斷。

2.3 內(nèi)管原料介質(zhì)特性和處理工藝不當(dāng)引起安全銷被剪斷

套管結(jié)晶器在日常生產(chǎn)過程中若原料介質(zhì)中蠟含量偏高，含有太高的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，含水以及處理過程中冷卻速度過快，都會(huì)造成套管載荷大引起安全銷被剪斷。

若原料介質(zhì)中蠟含量偏高在同樣條件下漿液的飽和度變化速度快，操作中需較大的稀釋比，即需要用更多的溶劑融化內(nèi)管壁上的結(jié)晶蠟，一方面降低了處理量，增加了溶劑損耗和能耗，另一方面易造成內(nèi)管堵塞、阻力降大導(dǎo)致安全銷被剪斷。

若原料介質(zhì)中含有太高的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，易在套管內(nèi)壁上生成粘連的細(xì)微晶體；若原料介質(zhì)中含水，超過最低析冰限，冰粒析出，這些都會(huì)造成刮刀阻力大導(dǎo)致安全銷被剪斷。

若在冷凍初期處理過程中冷卻速度過快，套管內(nèi)壁上也會(huì)形成細(xì)小晶體，造成刮刀阻力大導(dǎo)致安全銷被剪斷。

3 預(yù)防套管結(jié)晶器安全銷被剪斷的解決措施

(1)通過改變填料盒內(nèi)密封圈數(shù)量，同步增加壓縮量的不同條件組合，最長(zhǎng)可將套管結(jié)晶器無泄漏且安全銷正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)接近 50%，但此種工況下發(fā)生泄漏后已無法通過對(duì)填料盒密封圈壓蓋緊固，增加壓縮量的方法止漏，當(dāng)壓縮量增加5%及以上時(shí)，安全銷被剪斷(如圖2所示)。故對(duì)傳動(dòng)軸材質(zhì)和局部表面處理進(jìn)行試驗(yàn)尋找解決措施[2]。

圖2 填料盒

方案1：母材45#，調(diào)質(zhì)，局部表面滲氮處理；

試驗(yàn)情況：安裝傳動(dòng)軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4 000 h后，開始泄漏，不斷緊固可運(yùn)行至5 700 h，此時(shí)泄漏量過大，加大壓縮量勉強(qiáng)使用至5 900 h左右，安全銷被剪斷，拆檢發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸表面存在點(diǎn)蝕，已無法繼續(xù)使用。

方案2：母材35CrMoA，調(diào)質(zhì)，局部表面鍍鉻處理；

試驗(yàn)情況：安裝傳動(dòng)軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5 800 h后，開始泄漏，不斷緊固可運(yùn)行至8 000 h，泄漏量過大，緊固至不漏狀態(tài)，由于密封填料壓得過緊，安全銷被立即剪斷，拆檢發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸表面鍍層脫落、均勻磨損2 mm以上，已無法繼續(xù)使用。傳動(dòng)軸如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)軸

方案3：母材35CrMoA，調(diào)質(zhì)，局部表面噴涂碳化鎢；

試驗(yàn)情況：安裝傳動(dòng)軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)9 000 h后，開始泄漏，正常緊固填料，仍然泄漏，加大壓縮量至不漏，勉強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)96 h左右安全銷被剪斷，拆檢發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸基本正常，填料受溶劑侵蝕而導(dǎo)致膨脹硬化。

由于方案3的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)9 000 h以上填料開始失效，而傳動(dòng)軸基本正常，故對(duì)填料進(jìn)行選材試驗(yàn)(尤其重視耐侵蝕性)。

填料方案1：氟橡膠(FPM)具有耐高溫、耐油性、耐腐蝕、抗老化等優(yōu)良特點(diǎn)，故選作試驗(yàn)材料。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其加工性差，彈性和透氣性較低，可壓縮量小，不能滿足長(zhǎng)周期無泄漏平穩(wěn)運(yùn)行。

填料方案2：聚四氟乙烯(PTFE)具有耐高溫、化學(xué)性質(zhì)好、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，故選作試驗(yàn)材料。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其硬度低，耐蠕變性差尤其是耐磨損性差，易冷流，不能滿足長(zhǎng)周期無泄漏平穩(wěn)運(yùn)行。

填料方案3：新型復(fù)合材料，改性聚苯酯(含聚四氟乙烯)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有耐高溫、耐侵蝕、摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)，尤其是彈性和耐磨損性好，能滿足9 000 h以上無泄漏平穩(wěn)運(yùn)行，將其與前兩者對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新型復(fù)合材料綜合性能優(yōu)于前兩者。材料性能如表1所示。

表1 材料性能表

(2)刮刀選用合適的彈簧，材料一般采用1Cr18Ni9或60Si2Mn。彈簧載荷不宜過大或過小，最大工作載荷為0.2 MPa，最小工作載荷不小于0.1 MPa(含刮刀磨損后)。

(3)采用合適的處理工藝對(duì)原料介質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格處理，使其達(dá)到工藝卡片標(biāo)準(zhǔn)。首先對(duì)原料介質(zhì)進(jìn)行脫水、降低膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。其次控制好一、二次溶劑稀釋比。一次稀釋溶劑的作用主要在于稀釋原料油降低黏度便于輸送。同時(shí)提供必要的結(jié)晶條件，使結(jié)晶體生長(zhǎng)良好，便于過濾。因此一次稀釋溶劑的加入量就是要能完全溶解油，達(dá)到一定的濾速，降低換冷套管壓力，便于原料輸送。此時(shí)，若一次稀釋比增大，雖使濾速加快，套管壓力降低，但油收率下降、脫蠟溫差上升，所需的冷凍負(fù)荷增大；而若降低一次稀釋比，雖提高了油收率，減小了脫蠟溫差，但會(huì)使油品黏度上升。若一次稀釋比太低，還會(huì)造成缺乏稀釋溶劑，油品粘度大，套管壓力上升，安全銷被剪斷，由此可見，實(shí)際生產(chǎn)操作中，選擇合適的一次稀釋比，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、收率，保證平穩(wěn)操作十分重要[3]。

脫蠟深度相近時(shí)，隨著餾分的加重，總?cè)軇┍纫哟?，一次稀釋比也適當(dāng)增加，但注意在保證套管壓力的情況下應(yīng)該盡量低點(diǎn)，對(duì)結(jié)晶效果最佳。加入二次稀釋比，其作用是進(jìn)一步稀釋原料油，降低氨冷套管的壓力，同時(shí)溶解油。它的加入，對(duì)脫蠟溫差影響不大，但可以促使脫蠟油的收率上升，但當(dāng)溶劑加入一定量后，對(duì)提升收率的作用會(huì)明顯降低，同時(shí)冷凍負(fù)荷和回收負(fù)荷會(huì)有明顯上升，故在正常生產(chǎn)中應(yīng)選擇好適宜的二次稀釋比。所以在處理蠟含量偏高的原料介質(zhì)時(shí)可以相應(yīng)的增大稀釋比，同時(shí)降低處理量，待套管載荷降低并穩(wěn)定后再逐步提高處理量。最后在脫蠟過程的冷凍初期控制好溫度，冷卻速度不宜過快，當(dāng)蠟的晶體初步形成之后，可適當(dāng)提高冷卻速度從而得到顆粒大、堅(jiān)實(shí)，易過濾的蠟晶體[4]。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，引起套管結(jié)晶器安全銷被剪斷的情況不是單一因素造成的，很可能同時(shí)存在著多種因素，因此要同步解決各類問題才能確保套管結(jié)晶器較長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。本文所述課題公司酮苯脫蠟裝置于2019年6月檢修期間對(duì)部分套管結(jié)晶器進(jìn)行檢修和分組對(duì)照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用35CrMoA局部表面噴涂碳化鎢的傳動(dòng)軸配合改性聚苯酯填料，更換全部彈簧，連續(xù)運(yùn)行一個(gè)檢修周期以上，未有安全銷被剪斷的情況發(fā)生，套管結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。