加氫裂化裝置腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及完整性操作窗口（IOW）應(yīng)用

崔軻龍 張立斌

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699）

0 引言

石油加工過(guò)程中需最大限度生產(chǎn)清潔、飽和、高附加值產(chǎn)品，而催化、焦化、重整等工藝難以有效脫除原油中的氯化物，只有通過(guò)加氫工藝才能有效脫除[1]。加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)NH4Cl、NH4HS結(jié)晶，形成銨鹽或胺鹽堵塞和垢下腐蝕，不僅使系統(tǒng)壓降增大，而且還會(huì)導(dǎo)致高壓換熱器、高壓空冷管束及系統(tǒng)管線腐蝕減薄、穿孔、沖刷腐蝕等損傷，嚴(yán)重影響裝置的安全生產(chǎn)[2-4]。

殼牌首先提出并應(yīng)用完整性操作窗口（Integrity Operating Windows，簡(jiǎn)稱IOW）進(jìn)行設(shè)備完整性與可靠性管理[5]。API將其標(biāo)準(zhǔn)化，形成API 584，完整性操作窗（IOW）口是預(yù)設(shè)工藝參數(shù)界限并執(zhí)行，以預(yù)防系統(tǒng)控制的中斷，以免導(dǎo)致無(wú)法充分控制整個(gè)工藝，避免承壓設(shè)備的未預(yù)計(jì)或未作應(yīng)對(duì)計(jì)劃的性能劣化或損壞，包括設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)維持控制的關(guān)鍵工藝參數(shù)（物理型）和腐蝕介質(zhì)含量（化學(xué)型）兩種類型[6]。本文通過(guò)對(duì)影響加氫裂化裝置典型的腐蝕機(jī)理分析，采用HAZOP節(jié)點(diǎn)劃分方法進(jìn)行腐蝕回路劃分[7,8]，RBI方法評(píng)估腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[9]，最終建立加氫裂化裝置完整性操作窗口（IOW），為裝置完整性與可靠性管理提供基礎(chǔ)保障。

1 加氫裂化裝置腐蝕回路劃分

建立加氫裂化完整性操作窗口（IOW）的步驟之一是劃分腐蝕回路。API 584標(biāo)準(zhǔn)中腐蝕回路的劃分原則為將腐蝕機(jī)理相似、操作條件相似、材料機(jī)構(gòu)相似的單元?jiǎng)澐值酵粋€(gè)部分中，但該方法在實(shí)際腐蝕回路劃分過(guò)程中存在一定困難，不同人員之間的劃分結(jié)果存在較大偏差。危險(xiǎn)與可操作研究（HAZOP）方法中的工藝節(jié)點(diǎn)是指將系統(tǒng)或操作按具有確定邊界的設(shè)備、物料、管線、相態(tài)等劃分為不同的單元，使用HAZOP分析方法中的節(jié)點(diǎn)劃分原則和技巧劃分腐蝕回路，可有效提高腐蝕回路劃分的準(zhǔn)確性。

根據(jù)HAZOP分析方法，將加氫裂化裝置工藝流程劃分為表1所示的18個(gè)腐蝕回路（Corrosion Circuit以下簡(jiǎn)稱CC）。

表1 加氫裂化裝置腐蝕回路表

2 加氫裂化裝置腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

RBI使用相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的概念，將設(shè)備一部分相對(duì)于另外一部分的風(fēng)險(xiǎn)排序，以確定檢測(cè)優(yōu)先權(quán)，過(guò)去的檢查和腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果也與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)一起，用以確定設(shè)備和管道的風(fēng)險(xiǎn)。采用RBI方法、同時(shí)基于對(duì)加氫裂化裝置的操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)18個(gè)腐蝕回路完成基礎(chǔ)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將每個(gè)腐蝕回路按照損傷機(jī)理“可能性等級(jí)”和“后果等級(jí)”分類，評(píng)估出高風(fēng)險(xiǎn)回路3個(gè)，分別為：CC-01原料油進(jìn)反應(yīng)器、CC-02反應(yīng)器及流出物、CC-03熱高分氣/熱低分氣。將上述3個(gè)腐蝕回路簡(jiǎn)化為高溫部位腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和反應(yīng)流出物系統(tǒng)銨鹽腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 高溫部位腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

加氫裂化裝置進(jìn)料為減壓蠟油、焦化蠟油，在反應(yīng)器之前存在高溫硫與環(huán)烷酸腐蝕，進(jìn)反應(yīng)器之后，環(huán)烷酸分解，需考慮高溫硫腐蝕，在原料混氫后的進(jìn)料流程、反應(yīng)流出物系統(tǒng)及循環(huán)氫系統(tǒng)，需考慮高溫H2/H2S腐蝕。

首先核對(duì)選材是否滿足規(guī)范要求，以SH/T 3129高酸原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則、SH/T 3096高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則、Nelson曲線等作為參考依據(jù)，裝置高溫部位選材均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。收集近一年原料油硫含量、酸值分析數(shù)據(jù)，取平均值作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)和裝置硫、酸分布的依據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 腐蝕介質(zhì)分布數(shù)據(jù)

通過(guò)API 581附錄中腐蝕速率表核算，發(fā)現(xiàn)加氫裂化裝置理論腐蝕速率大于0.2mm/a的管道1條。進(jìn)料段高溫部受環(huán)烷酸影響，E-105～E-102進(jìn)料線現(xiàn)有材質(zhì)是A335-P22，理論腐蝕速率達(dá)到0.254mm/a，如表3所示。

表3 理論腐蝕速率大于0.2mm/a設(shè)備管線

2.2 熱高分氣/熱低分氣系統(tǒng)銨鹽腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

加氫反應(yīng)過(guò)程中生成的H2S、NH3和HCl是熱高分氣/熱低分氣系統(tǒng)里堵塞與腐蝕的第一重要因素[10]，在一定溫度下會(huì)生成NH4Cl和NH4HS結(jié)晶，造成反應(yīng)流出物系統(tǒng)設(shè)備管線堵塞、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問(wèn)題。固態(tài)NH4Cl和NH4HS的形成，主要與兩類因素相關(guān)：原料的S、N、Cl；環(huán)境壓力與溫度。為了，采用API RP 932B提供的預(yù)測(cè)模型計(jì)算NH4Cl和NH4HS結(jié)晶溫度、注水量、銨鹽沖刷腐蝕理論腐蝕速率等參數(shù)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算的主要結(jié)論數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 反應(yīng)流出物系統(tǒng)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要結(jié)論數(shù)據(jù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工藝流程，可得出的如下結(jié)論：

（1）NH4Cl結(jié)晶點(diǎn)位于熱高分氣/原料油換熱器E-106管束內(nèi)，析出速率為0.12kg/h。E-106之前和之后都有注水點(diǎn)，可以降低E-106管束銨鹽堵塞的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）NH4HS結(jié)晶溫度位于空冷E-108之后，在空冷E-108之前有注水措施，計(jì)算注水量14.67t/h，實(shí)際注水量15t/h，因此NH4HS不會(huì)在反應(yīng)流出物系統(tǒng)析出；

（3）NH4HS濃度為1.78%，會(huì)造成注水點(diǎn)后設(shè)備管道的沖刷腐蝕，理論腐蝕速率為0.127mm/a，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 建立加氫裂化裝置完整性操作窗口（IOW）

為保障裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，根據(jù)識(shí)別的高風(fēng)險(xiǎn)腐蝕回路，通過(guò)腐蝕速率監(jiān)測(cè)、工藝操作減緩和預(yù)防腐蝕，煉出關(guān)鍵參數(shù)組成壓力設(shè)備的操作邊界，綜合成一系列的操作窗口[11]。

（1）CC-01原料油進(jìn)反應(yīng)器回路主要風(fēng)險(xiǎn)為高溫H2/H2S腐蝕，回路中管線材質(zhì)為A335-P22，應(yīng)通過(guò)在線測(cè)厚探頭對(duì)E-105至E-102進(jìn)料線進(jìn)行壁厚監(jiān)測(cè)；

（2）CC-02反應(yīng)器及流出物回路主要風(fēng)險(xiǎn)為反應(yīng)器高溫氫損傷及氫脆，開停工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守升降溫、升降壓控制參數(shù)，防止高溫氫損傷及氫脆；

（3）CC-03熱高分氣/熱低分氣回路的主要風(fēng)險(xiǎn)為NH4Cl和NH4HS結(jié)鹽，造成反應(yīng)流出物系統(tǒng)設(shè)備管線堵塞、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問(wèn)題。加氫裂化原料中N、Cl是影響NH4Cl結(jié)晶溫度的關(guān)鍵參數(shù)，原料中N、S是影響NH4HS結(jié)晶溫度與濃度的關(guān)鍵參數(shù)，在給定的NH4HS濃度下溶液的腐蝕速率隨H2S分壓的增加而增加。

綜上所述，建立加氫裂化裝置3個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)腐蝕回路的完整性操作窗口（IOW），如表5所示。

表5 加氫裂化裝置完整性操作窗口（IOW）

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)HAZOP分析方法中的工藝節(jié)點(diǎn)劃分原則，即系統(tǒng)或操作按具有確定邊界的設(shè)備、物料、管線、相態(tài)等劃分為不同的單元，加氫裂化裝置工藝流程可劃分為18個(gè)腐蝕回路；

（2）通過(guò)RBI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行18個(gè)腐蝕回路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估出高風(fēng)險(xiǎn)腐蝕回路3個(gè)，主要的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為高溫H2/H2S腐蝕、高溫氫侵蝕及氫脆、NH4Cl和NH4HS結(jié)鹽引起的垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問(wèn)題并采用API RP 932B提供的預(yù)測(cè)模型計(jì)算了NH4Cl和NH4HS結(jié)晶溫度、注水量、銨鹽沖刷腐蝕理論腐蝕速率等參數(shù)；

（3）根據(jù)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，通過(guò)建立腐蝕速率監(jiān)測(cè)、工藝操作等8個(gè)完整性操作窗口（IOW），可有效減緩和預(yù)防高風(fēng)險(xiǎn)腐蝕回路的腐蝕問(wèn)題。