催化裂解裝置穩(wěn)定塔底重沸器內(nèi)漏原因分析及解決措施

楊豐華

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812）

1 概述

催化裂解（DCC）裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)中穩(wěn)定塔的作用是分離液化氣及穩(wěn)定汽油，塔底設(shè)有兩臺(tái)重沸器E-304A/B，局部工藝流程圖如圖1 所示，其中E-304B 以3.5 MPa 中壓過(guò)熱蒸汽作為熱源，型號(hào)為BJU1600-4.4/3.52-1166-6/25-4 Ⅰ，殼程介質(zhì)為穩(wěn)定汽油，操作溫度為170 ℃，操作壓力為1.23 MPa，管程介質(zhì)為中壓過(guò)熱蒸汽，操作溫度為410 ℃，操作壓力為3.5 MPa。裝置開(kāi)工1 年后，穩(wěn)定塔底溫度出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，穩(wěn)定汽油蒸氣壓也伴隨出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象，塔頂冷卻負(fù)荷增大，塔頂回流罐界位逐漸上漲，分析發(fā)現(xiàn)酸性水中油含量也在上漲。結(jié)合這些現(xiàn)象，判斷穩(wěn)定汽油與中壓蒸汽互串，E-304B 出現(xiàn)內(nèi)漏。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，E-304B 內(nèi)漏量越來(lái)越大，給生產(chǎn)帶來(lái)巨大的困難與安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，在工藝操作上采取以下措施：控制管程壓力略大于殼程壓力，通過(guò)中壓蒸汽減緩泄漏量，避免汽油進(jìn)入蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)；中壓蒸汽定量控制，避免頻繁調(diào)節(jié)，增加第一重沸器取熱負(fù)荷，以降低第二重沸器取熱負(fù)荷。經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的工藝操作，維持裝置運(yùn)行兩年。

圖1 E-304B 局部工藝流程圖

2 泄漏原因分析

在出現(xiàn)泄漏后，對(duì)介質(zhì)中腐蝕性物質(zhì)含量進(jìn)行了分析，認(rèn)為高酸高氯原油導(dǎo)致的穩(wěn)定汽油硫含量、氯含量超標(biāo)是換熱器泄漏的主要原因，在停工消缺中對(duì)管束進(jìn)行了原型式更換，但對(duì)泄漏管束的外觀檢查發(fā)現(xiàn)，管束折流桿與換熱管的接觸部位，有明顯的摩擦損傷，嚴(yán)重處換熱管已被割斷，如圖2 所示。新管束在半年時(shí)間后又出現(xiàn)泄漏，確認(rèn)折流桿與換熱管的摩擦損傷是導(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏的根本原因。

圖2 換熱管損傷狀況

根據(jù)管板處堵管的分布，從管束的徑向觀察，泄漏部位主要集中在中部及兩側(cè)，如圖3和圖4 所示。從管束的軸向觀察，泄漏主要集中在殼程入口區(qū)域，如圖5 所示。

圖3 管束徑向主要泄漏部位分布圖

圖4 管束徑向主要泄漏部位分布圖

圖5 管束軸向主要泄漏部位圖

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

該換熱器是折流桿式U 形管式換熱器。折流桿式換熱器相比于傳統(tǒng)的折流板式換熱器，優(yōu)點(diǎn)是管束振動(dòng)小、傳熱效率高、結(jié)垢率低，可以有效降低介質(zhì)沖擊，提高換熱器的穩(wěn)定性，使得折流桿式換熱器在抗振性能方面表現(xiàn)出色，能夠較好地抵抗外部振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，從而降低設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，折流板式換熱器的抗振性能不如折流桿式換熱器，因其支承結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，容易受到振動(dòng)影響，導(dǎo)致設(shè)備損壞或性能下降。為了提高其抗振性能，可能需要采取額外的加固措施，如增加支承結(jié)構(gòu)或加強(qiáng)連接等。雖然折流桿式換熱器的抗振性能從原理上要比折流板式換熱器更好，但折流桿式換熱器對(duì)設(shè)計(jì)以及制造精度的要求很高，若存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或加工精度低，則更容易出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。

2.1.1 殼程入口處未設(shè)置防沖板或?qū)Я魍?/p>

管束防沖板的作用是減少流體的不均勻分布及對(duì)管束的沖蝕，可以有效減小流體對(duì)管束的沖擊，保護(hù)管束不受損壞，從而提高換熱器的穩(wěn)定性和使用壽命。導(dǎo)流筒的主要作用是減小流體停滯區(qū)，增加換熱管有效長(zhǎng)度。通過(guò)設(shè)置導(dǎo)流筒，可以改變流體的流向和流速，使其更加均勻地流過(guò)換熱管，提高傳熱效率和換熱效果。同時(shí)，導(dǎo)流筒還可以減小流體對(duì)換熱管的沖擊和磨損，保護(hù)換熱管不受損壞。

重沸器殼程入口穩(wěn)定汽油流量設(shè)計(jì)值為610 000 kg/h，在進(jìn)入殼體后，盡管總體上流量是沿著縱向流動(dòng)，但是在殼程進(jìn)出口處，流量仍然主要以橫向流為主，且殼程內(nèi)介質(zhì)的氣液兩相使流動(dòng)環(huán)境變得更為復(fù)雜，其中氣相設(shè)計(jì)值為103 023 kg/h，液相設(shè)計(jì)值為506 977 kg/h。由于殼程入口未設(shè)置防沖板或?qū)Я魍?，氣液兩相介質(zhì)直接沖擊管束，這使得管束承受了較大的沖擊力。

2.1.2 第一排換熱管與折流圈擋板設(shè)計(jì)間距過(guò)大

在換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，折流圈擋板與第一排換熱管的間距是一個(gè)重要參數(shù)。如果間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致流體在流過(guò)管束時(shí)出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，這不僅會(huì)降低流體的流速，影響傳熱效果，還會(huì)增加流體對(duì)換熱管的沖擊，加劇換熱管的磨損，從而降低換熱器的使用壽命。

檢查發(fā)現(xiàn)第一排換熱管與折流圈擋板距離為35 mm 左右，可以小幅度地自由活動(dòng)。查閱設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)第一排換熱管與折流圈擋板的間距設(shè)計(jì)值為41 mm，管束第一排管的設(shè)計(jì)間距為100 mm，如圖6 所示。而折流圈擋板設(shè)計(jì)規(guī)格（18.0 mm±0.2 mm）（寬）×12 mm（高），如圖7 所示，使得擋板無(wú)法有效固定第一排換熱管，導(dǎo)致?lián)Q熱管的振動(dòng)，并與折流桿反復(fù)摩擦。

圖6 第一排管設(shè)計(jì)間距

圖7 折流圈擋板設(shè)計(jì)規(guī)格

2.1.3 管束尾部未設(shè)置防振設(shè)施

U 形管的最低固有頻率fnU[1]：

式中：Uλ為U 形管的頻率常數(shù)，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，增加U 形管尾部支承板后，從GB/T 151—2014 圖C.18～C.23 可查Uλ變大，fnU變大。

根據(jù)GB/T 151—2014 中振動(dòng)的判據(jù)，殼程流體為氣體或液體時(shí)，當(dāng)符合下列條件中的任何一條，管束可能發(fā)生振動(dòng)和破壞：

a）卡門(mén)旋渦頻率fv與換熱管最低固有頻率fl之比大于0.5。

b）湍流抖振主頻率f1與換熱管最低固有頻率fl之比大于0.5。

一個(gè)下午，我都在琢磨于丹教授的話(huà)，偉翔說(shuō)他做了我的奴隸，母親說(shuō)偉翔并不欠我的，難道我真的做錯(cuò)了什么嗎？

U 形管管束尾部增加支承板或支承條可以改變換熱管的支承方式和剛度分布，從而提高其最低固有頻率，進(jìn)而減小上述a）和b）的比值，降低管束振動(dòng)破壞的可能性。此外，支承板或支承條還可以起到分散流體的振動(dòng)能量的作用，進(jìn)一步降低對(duì)換熱管的沖擊。

2.1.4 折流桿采用單向支承

對(duì)比圓鋼桿單向支承（如圖8 所示）、折流板支承、無(wú)支承（僅由管板支承）、圓鋼桿雙向支承（如圖9 所示）四種支承方式對(duì)換熱管抗振性能的影響[2]，如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單向支承方式對(duì)換熱管的抗振作用非常有限，遠(yuǎn)低于雙向支承及折流板支承方式。因此為了增強(qiáng)換熱管的抗振性能，可以更換為折流桿雙支承方式或折流板支承方式。

表1 圓鋼桿支承方式管子振動(dòng)特性及其與折流板支承方式比較

圖8 折流桿（圓鋼桿）單向支承方式

圖9 折流桿（圓鋼桿）雙向支承方式

綜上所述，由于換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，管束抗振性不足，加之殼程介質(zhì)流量大，對(duì)管束的激勵(lì)作用強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)Q熱管與折流桿反復(fù)摩擦出現(xiàn)泄漏、斷裂，為管束泄漏的根本原因。

2.2 腐蝕性介質(zhì)含量高

（1）根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中混合原油平均API 23.7、平均硫含量0.91%、平均酸值1.54 mgKOH/g，實(shí)際加工原料性質(zhì)如表2 所示。

表2 全廠原油性質(zhì)表

（2）截取一段時(shí)間內(nèi)的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，二級(jí)脫后原油含鹽最高6.68 mg/L、硫含量最高0.332%、酸值最高5.27 mgKOH/g，如表3 所示，穩(wěn)定塔底裂解石腦油硫含量302.78 mg/kg、氯含量6.90 mg/kg，如表4 所示。

表3 二級(jí)脫后原油部分樣品數(shù)據(jù)

表4 裂解石腦油部分樣品數(shù)據(jù)

以上化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表明：

（2）常頂循氯含量高，如表5 所示，說(shuō)明原油中尚有未脫出的鹽，例如原油中的細(xì)微晶體鹽或不可水洗的氯，即有機(jī)氯未有效脫出，在加熱爐裂解后進(jìn)入常壓塔頂和后續(xù)供料裝置，如DCC 裝置；

表5 常頂循部分樣品數(shù)據(jù)

（3）DCC 裝置裂解石腦油產(chǎn)品設(shè)計(jì)硫化物含量為180 mg/kg，實(shí)際裂解石腦油中硫化物含量平均值為242.4 mg/kg，最高達(dá)到388 mg/kg，高出設(shè)計(jì)值2 倍；

（4）DCC 裝置裂解石腦油產(chǎn)品設(shè)計(jì)氯化物含量不大于0.50 mg/kg，實(shí)際平均值達(dá)到4.29 mg/kg，最高達(dá)到6.17 mg/kg，高出設(shè)計(jì)值12 倍。

如圖10 所示，通過(guò)換熱管橫切面可以看到，橫切面部分有腐蝕痕跡。本換熱器換熱管材質(zhì)為10#鋼，一是高酸性和高氯離子濃度的環(huán)境會(huì)顯著加速10#鋼的腐蝕速率，酸性環(huán)境中的氫離子（H+）和氯離子（Cl-）都是很強(qiáng)的腐蝕劑。H+會(huì)與鋼管表面的鐵（Fe）發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性的鐵離子（Fe2+/Fe3+），從而導(dǎo)致鋼管的腐蝕，Cl-則會(huì)通過(guò)破壞鋼管表面的氧化膜來(lái)加速腐蝕過(guò)程。二是在高酸高氯環(huán)境中，10#鋼的腐蝕疲勞性能也會(huì)降低。腐蝕疲勞是指鋼管在交變應(yīng)力（如振動(dòng)或循環(huán)載荷）和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的疲勞破壞。由于氯化物、硫化物的存在，會(huì)優(yōu)先腐蝕金屬的缺陷部位，腐蝕與物理磨損相互促進(jìn)，最終使換熱管斷裂。

圖10 換熱管橫切面

綜上所述，介質(zhì)中硫化物、氯化物超過(guò)設(shè)計(jì)值，加速換熱管腐蝕，對(duì)換熱管泄漏起到了促進(jìn)作用。

2.3 操作原因

一是在裝置開(kāi)工時(shí)，管程3.5 MPa 中壓蒸汽作為熱源投入較快，未嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行換熱器的投用，換熱器升壓、升溫不當(dāng)；二是正常生產(chǎn)時(shí)不注意操作方法，3.5 MPa 中壓蒸汽流量調(diào)整頻繁，導(dǎo)致?lián)Q熱器的運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，管束的振動(dòng)程度加劇。此外，3.5 MPa 中壓蒸汽在管程內(nèi)存在氣液兩相，也是加劇管束振動(dòng)的因素。

3 解決措施與效果驗(yàn)證

（1）優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)。為了降低管束在運(yùn)行中的振動(dòng)，將此換熱器的管束類(lèi)型從折流桿U 形管式更改為折流板浮頭式，為了進(jìn)一步減弱振動(dòng)，在尾部設(shè)置了防振板和支承板。

（2）加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測(cè)，定期對(duì)裝置內(nèi)各部位介質(zhì)進(jìn)行采樣，分析硫化物、氯化物、鐵離子等含量，在腐蝕介質(zhì)含量升高和超標(biāo)時(shí)做出預(yù)警，在工藝上予以調(diào)整。

（3）在開(kāi)工階段，要嚴(yán)格按照換熱器操作規(guī)程進(jìn)行操作，中壓蒸汽投用前充分脫水，避免氣液兩相帶來(lái)的管束振動(dòng)，投用時(shí)要緩慢，升溫、升壓要平穩(wěn)。在正常運(yùn)行階段，中壓蒸汽流量調(diào)節(jié)幅度要小，操作要平穩(wěn)，保證換熱器工況穩(wěn)定。

新?lián)Q熱器投入運(yùn)行一年后狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)管束泄漏現(xiàn)象。相比于泄漏狀態(tài)時(shí)，3.5 MPa 中壓蒸汽用量約減少5 t/h，每年節(jié)約成本約800 萬(wàn)元。