加氫裂化裝置高換區工藝管道壓力試驗

姜 濤

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

1 前言

某煉油乙烯一體化項目中新建210萬t/a加氫裂化裝置共有1520m 高壓管道。 與其相連接的高壓設備為5臺高壓換熱器，高壓管道規格不等，壁厚最大達50mm,材質涉及碳鋼、鉻鉬耐熱鋼和穩定化不銹鋼。 不銹鋼管道材質主要為A312、TP321；合金鋼管道材質主要為P11； 碳鋼管道材質主要為石化裂化管20#、A106鋼等。 高壓管道參數見表1。

表1 高壓管道參數一覽表

高壓管道安裝結束后需進行壓力試驗， 由于管道與高壓換熱設備為焊接連接，如果管道和設備分別試壓，會增加大量額外的施工任務，為了經濟、高效地完成本次試壓任務，項目部經過多次論證，對試壓方案進行優化，決定將高壓設備連同管線一起試壓。 這樣，試驗壓力的確定、試壓系統的劃分成為了施工的重點和難點。

2 試驗方法的合理選擇

2.1 管道壓力試驗常用方法

試驗方法的選取合適與否，對工作進度及勞動強度有著直接的影響，管道壓力試驗常有以下幾種方法：

表2 各管道介質、操作溫度和壓力分別

2.1.1 逐項試驗法

即先按系統進行強度試驗，主要檢查焊口質量，保證強度試驗合格；最后按生產流程擴大系統進行嚴密性試驗，重點檢查法蘭密封面的連接情況。此法可以分階段完成壓力試驗工作，但耗時較長。

2.1.2 設備與管道聯合試驗法

即在管道系統進行壓力試驗時，將管道系統與設備串聯在一起，或在設備試驗時，帶入部分管道進行試驗的方法。 適用于設備和管道之間無法加裝盲板或加裝盲板困難或者設備間的相連管線無任何分支、倒淋及放空。

2.1.3 系統串聯試驗法

就是將位置、壓力相近的各試壓系統串聯起來，根據試驗壓力和系統大小分別按規定裝設控制閥和壓力表， 然后同時進行壓力試驗的方法。 此法可以充分利用較少的設備高效的完成大量管道的試壓工作，而且各系統介質可以相互補充，提高功效。

2.1.4 單條管線試驗法

將一條管線單獨進行壓力試驗的方法。適用于各試壓系統不方便帶入進行試驗的管道，和管道較長，直徑較大的管道。 此法可以避免安裝過多的臨時線，但效率較低。

2.2 試驗方法的確定

本裝置的設計壓力較高，管線試壓時如果用盲板隔離管道和設備，盲板較厚，無法加裝，另外，設備管口主要以焊接方式聯接，無法加裝盲板。結合實際情況，選擇管線和設備聯合試壓法，試壓完畢后恢復管線，用氮氣進行氣密性試驗。

3 試壓介質及試壓溫度的確定

3.1 試壓介質的選定

若用氣體作為試驗介質，須對管道進行儲能計算，而且安全系數較低， 因此選用水為試壓介質。 不銹鋼材料在氯離子介質中，非常容易遭受孔蝕破壞?？孜g是破壞性和隱患最大的腐蝕形態之一，因為孔蝕很小，又常被腐蝕產物遮蓋，常常難以發現。故應嚴格將水中的氯離子控制在25PPM 以內， 并在試壓結束后，立即用熱氮氣將設備和管道烘干。

3.2 介質溫度的確定

試驗溫度一般根據鋼管材質確定，不得低于材料在試驗溫度下的脆性轉變溫度。規范要求非合金鋼和低合金鋼管道系統，液壓試驗溫度不得低于5℃，合金鋼管道不得低于15℃。由于福建地區全年平均溫度不低于6℃，因而滿足在滿足條件。 在滿足該條件的情況下，還應考慮設計和裝置工藝手冊的相關要求，設計要求5臺高壓換熱器所在系統的水壓試驗的水溫要保持在至少90℃，為了滿足該要求，試壓介質采用潔凈水，經泵（出口溫度90～100℃），經臨時管線接至試壓系統。 為了保證水溫，在試壓前將設備和管線保溫，預留出焊口。

4 試壓系統的劃分

在劃分系統時，根據流程特點，盡量保護設備。 5臺高壓換熱器是按壓差設計的， 設計要求試壓時管程和殼程要保證一定的壓差，且壓差不得超過設計要求（見表3），為了滿足該要求，將管程和殼程串聯起來同時試壓， 并在管程和殼程的進水口各安裝一閥門，以分別控制兩程的壓力，在最高點各安裝一塊壓力表。E01004的水壓試驗管殼程無壓差要求，因此，E01004的殼程單獨一個系統。 根據以上特點， 本裝置分為A、B、C、D四個系統。 試壓流程見圖1。

表3 高壓換熱器管程殼程試驗壓力參數

5 試驗壓力的確定

管道系統的試驗壓力一般按下式計算[5]：

式中：Pt——試驗壓力，MPa;

P0——設計壓力， MPa;

K——系數， 液體壓力試驗時選取1.5； 氣壓試驗時選取1.15；

[σ]1——試驗溫度下材料的許用應力，MPa；

[σ]2——設計溫度下材料的許用應力，MPa。

由于本工程是帶設備一起試壓， 高壓管道試驗壓力滿足設備要求，管程試驗壓力有殼程試驗壓力減去壓差計算而得。

表4 試壓參數及試壓介質

6 管道失效模式分析

在本裝置中的高壓管道， 其壁厚已經考慮了壁厚負偏差和腐蝕余量，因此管道強度足夠。 然而，本裝置中高壓管道材質種類多，壁厚較厚，臨氫管道較多，為了消除管道焊接殘余應力，改善焊接接頭和熱影響區的組織和性能， 進一步釋放焊縫中的有害氣體，防止焊縫的氫脆和裂紋的產生，因而進行試壓前進行管道熱處理。鑒于此，現在主要分析熱處理對材質帶來的的影響變化情況。

6.1 氫腐蝕

由于管道介質主要為熱原料油，為臨氫管線。 在高溫高壓的條件下，臨氫介質中的氫原子滲入鋼中，與鋼中固溶碳或碳化物反應，生成甲烷：Fe3C+2H2→3Fe+CH4，甲烷分子的擴散能力很低，他們一般聚集在晶界及其附近的空隙、雜質、不連續部分的起點，形成充滿甲烷的空隙，空隙內壓上升到一定值時，可能形成微裂紋， 使鋼的延性顯著下降， 鋼的這種脆性為不可逆脆性，即氫脆。

管線焊后熱處理加速了氫的析出， 尤其對于本裝置中的A106材質的高碳鋼管線， 避免了各種鋼材處于氫腐蝕的條件中，從而減小了鋼管發生氫腐蝕的可能性。 同時，焊后熱處理對于消除臨氫管線焊縫應力、細化晶粒、改善焊縫組織力學性能，防止氫致冷裂紋的產生有積極的作用。

6.2 穩定化處理

穩定化處理是針對含穩定劑的奧氏體不銹鋼而進行的一種熱處理工藝， 本裝置主要針對材質為TP321的管材進行處理。奧氏體不銹鋼中加穩定劑(Ti或Nb)的目的是讓鋼中的碳與Ti或Nb形成穩定的TiC或NbC，而不形成Cr23C6，從而防止晶間腐蝕。穩定化處理的加熱溫度高于Cr23C6的溶解溫度，低于TiC或NbC的溶解溫度，一般在850～900℃，并保溫2～4h。

圖1 管道系統流程圖

6.3 塑性失效分析

管道壓力試驗中所發生的事故大部分是由于管道焊縫及熱影響區斷裂引起的。 據ASMEIWB-3650《 壓力管道缺陷評定》介紹，管道破壞主要有三種模式，即塑性破壞失效、韌性撕裂失效和脆性斷裂失效。

塑性破壞多發生在不銹鋼管線，當外力超過金屬材料的彈性極限時，金屬會發生塑性變形，即使去除外力，金屬也不會恢復原狀，從而產生塑性破壞，塑性破壞不僅與金屬的原子間距、晶粒大小有關，還與管徑有關。韌性撕裂是金屬經大量的塑性變形后發生的斷裂， 從金屬學角度分析是以原有的微觀裂紋、空孔、雜質等作為破壞源，在外力的作用下金屬發生大量的塑性變形，從而導致裂紋等破壞源緩慢擴張達到某一臨界尺寸時，發生的斷裂。 脆性斷裂失效模式一般發生在較低溫度下的鐵素體鋼管中。由于本系統的鋼管材質為TP321，而且試壓溫度和操作溫度都較高， 因此不會發生脆性斷裂， 只可能產生前兩種失效模式。

一般采用彈塑性斷裂力學判據進行韌性校核[3]：

式中：δ——斷裂張開位移，mm；

E——彈性模量，MPa；

σ——與裂紋平面平行的截面上的正應力，MPa；

σs——材料屈服強度，MPa；

a——裂紋尺寸，假定為壁厚的2倍，mm；

δc——材料斷裂韌性，mm；

當δ＜δc時，斷裂前先泄露，δ≥δc時，先斷裂后泄露。但是，δ 不好測定，此公式用起來不方便。 本裝置的管道均為厚壁管道，且壓力高，可當作高壓厚壁管道處理。 采用Mises塑性失效公式[5]：

式中：pyo——管道整體失效時的內壓力，MPa;

R0為管外半徑，mm；Ri為管內半徑，mm。

當管道的最大應力σmax小于pyo時， 管道不會發生塑性失效。 對每種管道進行了計算，結果均符合要求。

7 試壓臨時件的計算

7.1 試壓管線的計算

試壓用的臨時管線的壁厚按照式（4）計算[4]：

式中：So——管子的理論計算壁厚，mm；

P——試驗壓力，MPa；

Do——管子外徑，mm；

[σ]t——試驗溫度下材料的許用應力，MPa；

Φ——焊縫系數。

經計算，臨時管線采用Φ27×4mm的管線。

7.2 試壓盲板計算

對于低壓管線的試壓盲板一般僅進行強度計算即可，但對于中高壓管道，僅進行強度計算不能滿足要求，還應進行剛度計算。

（1） 強度計算[4]

式中的結構特征系數K和計算直徑Dc，按《 石油化工企業管道設計器材選用通則》SH3509-94的表7.5.1取值。

（2） 剛度計算

靠螺栓緊固的盲板蓋是一種受均勻壓力載荷及周邊螺栓力和墊片反力兩圈集中載荷作用的圓平板， 四周的支承情況介于固支和簡支之間，較接近于簡支，其撓度計算可以按照受均布載荷的周邊簡支的圓板。最大撓度在圓板中心，最大撓度計算公式為[5]：

式中：ωmax——最大撓度，mm

μ——材料橫向變形系數或泊松比，取0.28；

E——彈性模量，GPa，取216；

八角墊密封面的硬度比法蘭密封面低，當緊固螺栓時，緊固力使得墊片發生一定的彈塑性變形。 令墊片的彈性回彈量為△l，接觸點A處法蘭蓋的變形量為ωA，當△l≥ωA時，在該變形范圍內，法蘭密封面不泄漏，當△l＜ωA時，應選擇較厚的盲板重新進行計算。

8 試壓步驟

(1)按試壓前準備工作的各項要求準備完畢，并經有關人員檢查合格；

(2)按系統流程圖要求開（關）閥門，各種臨時配件、設備安裝完畢；

(3)打開臨時注水閥，向系統注入工業潔凈水，當高點排空閥有水溢出時，關閉高點排空閥，打開液壓泵，緩慢升壓。 當A系統達到試驗壓力時，關閉A系統注水閥，繼續升壓，當D系統達到試驗壓力時，停止打壓，當C系統達到試驗壓力時，停止打壓，當B系統達到試驗壓力時，停止打壓，并關閉B系統注水閥及總閥。 保壓10min，以無泄露、目測無變形為合格；

(4)打開高點排空閥和臨時排水閥，緩慢卸壓，將水排至指定地點；

(5)拆除臨時盲板，調換8字盲板，并作記錄；

(6)拆除臨時管線，焊接管線連頭；

(7)填寫管道系統試壓記錄，并請有關人員簽字確認。

9 常見試壓問題及處理對策

由于管道焊縫均100%透視，Ⅱ級合格，且經強度和韌性校核，焊縫一般不會出現問題。 因此，在試壓過程中重點檢查法蘭密封面及閥門盤根。 另外還應隨時觀察壓力表的上升速度是否正常。

9.1 壓力上升速度不正常

本系統在試壓時出現壓力上升速度很慢（打壓四個小時壓力僅上升0.6MPa），原因可能是管道內的空氣未排凈。 由于高壓系統的管道上無專用排空閥， 如果處理不當很容易產生這樣的問題。 本裝置為新建裝置，在試壓前將最高點作為排氣點，當充滿水后安裝測溫儀和試壓閥門。 但忽略了設備管程的儲氣問題，發現問題后，在E01005管程出口處的盲板上開孔并焊接一控制閥門，當排氣結束后關閉閥門。 經過處理，壓力上升速度明顯加快。

9.2 盲板變形大

盲板變形大的原因為盲板的剛度不夠。當盲板變形較大，影響試壓時，應對盲板重新進行剛度校核，并立即卸壓，拆除盲板，更換能同時滿足強度和剛度要求的盲板。

9.3 法蘭密封面泄漏

（1） 在剛開始加壓時密封面就出現大量漏水現象。 原因可能是：螺栓未把緊；墊圈未放置正確。如果是螺栓未把緊，則重新把緊螺栓。 如果是墊圈放置不正確，則拆開法蘭，重新放置。

（2） 密封面在較低壓力下（＜1.5MPa）周圈出現滲漏。 原因可能是：螺栓預緊力不夠；密封面未清理干凈，可能有雜質損傷了密封面；墊圈與密封面配合不好；螺栓緊固不均勻，導致法蘭間隙不均。 如果是密封面有損傷，則應將法蘭拆開檢查，用標準研具對密封面進行研磨，使密封面的表面精度達到標準要求。如果是墊圈有損傷，則需要更新或對舊的進行修復。如果是螺栓預緊力不夠，則需重新核算預緊力，并適當加大。 如果法蘭間隙不均，可在帶壓情況下，通過偏緊調整間隙，緊固過程中觀察是否還泄漏，如果泄露未減小，就必須拆開法蘭檢查密封面及墊圈。

（3） 密封面在較高壓力（＞7MPa）周圍有少量水滴。 原因可能是螺栓預緊力不夠，這種情況本裝置遇到的較多。由于設計給出的力矩是理論計算值，普遍偏??；因此，按設計值緊固后，試驗壓力達到一定值就會發生微小滲漏。 通過加大力矩解決了這個問題。表5給出了部分法蘭螺栓緊固力的設計值和實際緊固值。

表5 螺栓緊固力的設計值和實際值

9.4 閥門內漏及盤根泄漏

（1） 閥門內漏主要是兩個方面造成，一是管道內雜質損傷密封面；二是閥芯與閥座配合不好；此外，閥門開啟的順序及力度不當也有可能造成閥門內漏。針對這些原因，主要應采取如下措施：管道在安裝之前，應做好內潔工作，使管內達到清潔；對于配合不好的，應拆下閥芯，對閥座進行研磨。

（2） 閥門盤根的泄漏，大多數是由于盤根壓蓋螺栓未擰緊造成的。通常均勻地緊固壓蓋螺栓即可消除。但有時是由于盤根加的不正確，比如：兩層盤根的接頭重疊在一起而沒錯開，接口處是直口而不是切成斜45°等。 這種情況應更換盤根。 還有一種情況，是由于閥桿與填料間的雜質，在啟閉過程中損壞了盤根而造成的泄漏。 這時應取出填料，對閥桿進行清洗，重新更換盤根。

9.5 儀表螺紋接頭泄漏

螺紋接頭泄漏的原因，通常是未擰緊或螺紋加工精度不夠造成配合不好， 也可能是絲扣未纏密封材料或密封材料纏的不正確。 根據具體原因采取相應的措施即可。

10 結論

根據加氫裂化高換區工藝系統壓力試驗過程中發生的問題，提出以下幾點建議，以供參考：

（1） 法蘭密封面及墊圈要認真檢查，看密封面上有無銹蝕、斑痕和劃傷；每片法蘭和墊圈均用標準的研具進行研磨，研磨合格后，在非密封面上標上合格字樣。 同時應檢查密封面的硬度，看是否符合標準要求，通常墊圈硬度應比法蘭密封面硬度低30HB；

（2） 檢查合格的法蘭，應對密封面進行涂防銹油保護，并貼上密封膠帶；對于墊圈則應涂油后用軟布包裹好，以免碰傷或摔傷；

（3） 在領用及保管過程中要注意成品保護， 不要在安裝前拆下墊圈的外包裝或撕下貼在法蘭密封面上的膠帶， 一旦發現包裝破損要重新檢查密封面并在檢查合格后及時包裝好；

（4） 墊圈安裝前要仔細清理法蘭密封面， 要用汽油和高純度酒精清洗法蘭密封面及墊圈， 用煤油清洗螺栓表面的銹蝕和臟物，然后用凈化風反復吹掃。以上工作完成后，開始穿入螺栓，螺栓在穿入之前， 螺紋部分要均勻地涂抹上二硫化鉬， 以方便今后檢修時的拆卸。

（5） 螺栓緊固應使用液壓扳手。 緊固時應對稱、均勻，在所有螺栓用同樣的力矩緊過一遍后，測量法蘭間隙，看是否均勻；如果不均勻要進行調整。 緊固應分三次進行：通常分50%、75%、100%三步進行。 當第一遍達到100%緊固力時，由于摩擦力及螺栓的彈性等因素影響，實際的緊固力并未達到100%，通常需要用100%的緊固力重復緊兩遍以上。當連續兩次緊固后測量間隙的差值小于0.1mm時，即可認為緊固到位了。

（6） 每對法蘭的緊固力矩應由專人做記錄， 作為泄露時處理的依據，也便于今后拆卸時確定拆卸力矩。

（7） 試壓前，結合實際情況認真分析，合理而科學的劃分試壓系統、正確確定試驗壓力、試驗介質和介質溫度。 并結合現場情況，選擇合適的灌水位置和排空位置。

1 工業金屬管道工程施工及驗收規范 GB50235

2 石油化工劇毒、可燃介質管道工程施工及驗收規范 SH3501

3 李培寧等 ASME IWB-3650壓力管道缺陷評定規范 1993.114石油化工企業管道設計器材選用通則 SH3059

5 王志文．化工容器設計．化學工業出版社．1990年

6 馮素霞，李建華．在用壓力容器檢驗員知識問答.勞動部鍋爐壓力容器安全雜志社 1988年