催化汽油吸附脫硫裝置反應(yīng)器氣相返回線(xiàn)腐蝕與防護(hù)

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(中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

S Zorb裝置基于吸附劑吸附原理降低汽油硫含量，已經(jīng)成為煉油企業(yè)的關(guān)鍵裝置。中國(guó)石化自2007年第一套S Zorb裝置建成投產(chǎn)以來(lái)，不斷改進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行升級(jí)換代。目前新建裝置已按第3代技術(shù)實(shí)施，設(shè)置了反應(yīng)器氣相返回線(xiàn)，解決了裝置轉(zhuǎn)劑困難及再生轉(zhuǎn)劑系統(tǒng)的管線(xiàn)沖蝕泄漏等問(wèn)題,但第3代裝置出現(xiàn)反應(yīng)器氣相返回吸附劑管線(xiàn)泄漏情況。以中國(guó)石化第3代技術(shù)實(shí)施生產(chǎn)的某公司S Zorb裝置為例，就其反應(yīng)器氣相返回管線(xiàn)發(fā)生泄漏，分析了泄漏原因，提出改進(jìn)措施。

1 情況簡(jiǎn)介

某公司1.5 Mt/a S Zorb裝置由進(jìn)料與脫硫反應(yīng)、吸附劑再生、吸附劑循環(huán)和產(chǎn)品穩(wěn)定四個(gè)部分組成。在反應(yīng)器中吸附劑吸附原料中的硫組分，通過(guò)再生、還原后重新進(jìn)入反應(yīng)器吸附，形成吸附劑循環(huán)。循環(huán)的動(dòng)力來(lái)源于循環(huán)系統(tǒng)中的設(shè)備壓差以及氣相攜帶。在吸附劑循環(huán)系統(tǒng)中不可避免發(fā)生氣固混合物對(duì)管線(xiàn)的沖刷腐蝕，造成管線(xiàn)的沖蝕泄漏，尤以反應(yīng)器氣相返回線(xiàn)受沖蝕影響最為嚴(yán)重。

該裝置于2015年9月投產(chǎn)，連續(xù)運(yùn)行至2016年10月，位于反應(yīng)器與接收器之間的反應(yīng)器氣相返回線(xiàn)彎管發(fā)生第一次泄漏，并在后續(xù)10 d內(nèi)位于同一管段上的其他2個(gè)彎管部位相繼發(fā)生泄漏。

2 失效分析

2.1 泄漏管線(xiàn)

泄漏管線(xiàn)為反應(yīng)器接收器(D105)頂部氣相返回反應(yīng)器(R101)的氣相返回線(xiàn)，主要用于調(diào)整反應(yīng)器和接收器之間的壓差，便于吸附劑順利自反應(yīng)器向接收器轉(zhuǎn)劑，并通過(guò)設(shè)置于接收器底部錐段的提升氫氣，脫出吸附劑中的油氣和細(xì)粉塵返回反應(yīng)器，管線(xiàn)內(nèi)介質(zhì)為氫氣、油氣和吸附劑。

氣相返回線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣相返回線(xiàn)參數(shù)

氣相返回線(xiàn)設(shè)計(jì)采用了長(zhǎng)半徑彎管，從下到上分布了4個(gè)45°,彎曲半徑R為彎管直徑D8倍的長(zhǎng)半徑彎管；1個(gè)90°,彎曲半徑R為彎管直徑D5倍的長(zhǎng)半徑彎管，彎管和直管之間通過(guò)自緊式活套法蘭進(jìn)行連接。布置情況見(jiàn)圖1。

2016年10月20日，氣相返回線(xiàn)2號(hào)45°彎管發(fā)生泄漏，隨后在10月27日和29日分別在1號(hào)45°彎管和90°彎管處相繼發(fā)生泄漏。

圖1 氣相返回線(xiàn)彎管情況

2.2 失效部位

失效部位及形貌見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，失效部位位于長(zhǎng)半徑彎管外彎，呈沖蝕坑洞形狀，母材周邊部位沒(méi)有裂紋；失效部位內(nèi)部彎管處呈溝槽狀沖蝕；泄漏部位全部位于彎管段外彎部位，直管段及彎管內(nèi)彎部位沒(méi)有沖蝕。

圖2 氣相返回線(xiàn)失效部位

2.3 測(cè)厚分析

該氣相返回線(xiàn)在發(fā)生泄漏之前一直實(shí)施單點(diǎn)測(cè)厚，測(cè)厚數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示出明顯減薄跡象，但實(shí)際已有減薄，說(shuō)明前期的測(cè)厚存在一定問(wèn)題。該管線(xiàn)泄漏之后，對(duì)5個(gè)彎管進(jìn)行了密集測(cè)厚，圖3為5個(gè)彎管的密集測(cè)厚數(shù)據(jù)比較。從圖3可以看出：①按管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向來(lái)看，45°1號(hào)彎管的沖刷減薄相對(duì)其他45°彎管要較為明顯。 ②90°彎管雖然位于最后部位，但由于弧度較小，受沖刷腐蝕較為明顯，超過(guò)45°1號(hào)彎管的減薄量。 ③彎管的側(cè)外彎相對(duì)于正外彎部位減薄量較小，但也存在不同程度的減薄。 ④彎管的內(nèi)彎和直管部位基本沒(méi)有減薄。⑤泄漏部位并不一定處于外彎正中線(xiàn)，受內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)不規(guī)則或管線(xiàn)材質(zhì)某處特定缺陷的影響，泄漏部位可能位于外彎中心線(xiàn)的左右兩側(cè)，但基本位于外彎中心線(xiàn)兩側(cè)70°范圍內(nèi)，不超出外彎中心線(xiàn)兩側(cè)90°范圍。⑥該次密集測(cè)厚還對(duì)裝置內(nèi)其他氣相攜帶吸附劑管線(xiàn)進(jìn)行了全部密集測(cè)厚，未發(fā)現(xiàn)有明顯減薄。

圖3 彎管測(cè)厚數(shù)據(jù)

2.4 失效原因

2.4.1 失效機(jī)理

固體顆粒通過(guò)氣力在管道中輸送，當(dāng)顆粒硬度比較大時(shí)，氣-固兩相流中的顆粒會(huì)對(duì)管路造成巨大的沖蝕，不僅降低生產(chǎn)效率，而且對(duì)施工環(huán)境和人員造成威脅[1]。沖蝕廣泛存在于石油化工、航空航天和能源機(jī)械等領(lǐng)域，是導(dǎo)致材料破壞甚至設(shè)備失效的主要原因之一[2]。彎管用來(lái)改變管道內(nèi)流體的方向，相對(duì)于直管，彎管比直管磨損率高50倍以上[3]。固體顆粒在彎管內(nèi)的軌跡是先匯集后發(fā)散的過(guò)程。固體顆粒在管道內(nèi)經(jīng)過(guò)氣流攜帶加速，在彎管變徑處對(duì)管道內(nèi)壁形成沖擊磨損，并受內(nèi)壁反作用力形成反彈，顆粒與顆粒之間也發(fā)生碰撞，并與管道內(nèi)壁發(fā)生后續(xù)碰撞。固體顆粒與管道內(nèi)壁接觸頻繁的地方即為沖蝕最嚴(yán)重的地方。

圖4為失效90°彎管內(nèi)部弧段圖。由圖4可以看出,沖蝕部位情況與失效機(jī)理相符，分布于彎管外彎弧變部位，并且由于固體顆粒的碰撞反彈，沖蝕部位呈一定區(qū)域性分布，基本位于外彎軸向中心線(xiàn)兩側(cè)70°范圍內(nèi)，不超出外彎軸向中心線(xiàn)兩側(cè)90°范圍。

2.4.2 氣速和吸附劑粒徑的交叉影響

研究表明，當(dāng)顆粒粒徑小于45 μm時(shí)，氣流速度對(duì)最大磨蝕率沒(méi)有明顯影響；當(dāng)顆粒粒徑大于45 μm時(shí)，氣流速度對(duì)最大磨蝕率的影響更為顯著。

圖4 90°彎管內(nèi)部弧段沖蝕分布

氣流速度V與最大磨蝕速率Emax接近二次多項(xiàng)式關(guān)系:

Emax=aV2+bV+c(a,b,c為大于0的常數(shù))

當(dāng)顆粒粒徑在10～100 μm時(shí)，磨蝕率隨著顆粒氣速的增大而增大；隨著顆粒粒徑的變化，在粒徑45 μm處出現(xiàn)峰值，而且氣速越大，趨勢(shì)越明顯[4]。

失效彎管泄漏前氣速維持在1 400 m3/h，顆粒粒徑組成見(jiàn)表2。由表2可知,粒徑主要集中在40 μm之上。較大的氣速，合適的粒徑，使得固體顆粒在管道內(nèi)具有較高的動(dòng)能，對(duì)管壁的沖蝕速率也大大加快，造成管線(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生穿孔泄漏。

表2 吸附劑顆粒粒徑

2.4.3 彎徑比

傳統(tǒng)氣力輸送理論認(rèn)為物料在彎管內(nèi)貼管道外側(cè)內(nèi)壁流動(dòng)，曲率越大就愈接近于直管輸送，相應(yīng)磨損也應(yīng)愈小，這也是普遍選用大曲率半徑彎管，即曲率半徑R與管道內(nèi)徑D之比為5～15的主要原因。

研究表明，管道內(nèi)的物料沖擊會(huì)加劇物料破碎，能量消耗，并隨著R/D比值的增大，沖擊點(diǎn)加多，能量消耗也愈大，彎管處會(huì)顯示出凹坑[5]。

本次失效的管線(xiàn)由4個(gè)R=8D長(zhǎng)半徑彎管和1個(gè)R=5D長(zhǎng)半徑彎管及相應(yīng)直管段組成，彎徑比相對(duì)較大，但由圖2及圖4即可看出，管線(xiàn)彎管部位受沖蝕比較嚴(yán)重，失效部位形貌呈溝槽及坑洞狀，失效部位分布在外彎中心線(xiàn)兩側(cè)90°范圍內(nèi)，可見(jiàn)大彎徑比并不能有效降低沖刷磨損。

2.4.4 測(cè)厚偏差

失效管線(xiàn)彎管為R=8D和R=5D的長(zhǎng)半徑彎管，由于氣-固兩相流在管道內(nèi)局部流動(dòng)不確定性，可能在某一特定點(diǎn)形成湍流，造成局部某點(diǎn)腐蝕減薄嚴(yán)重。前期定點(diǎn)測(cè)厚方法測(cè)量為一彎一點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)明顯不夠，測(cè)量范圍相對(duì)狹小，不能準(zhǔn)確地測(cè)到最薄點(diǎn)，對(duì)沖蝕減薄分析有偏差。

2.5 改進(jìn)措施

2.5.1 彎管改造

考慮到失效彎管僅外彎部位受沖蝕影響較大，對(duì)于泄漏彎管的改造采用了一種有效而且簡(jiǎn)易可行的方法：選用與原彎管同等規(guī)格的P11彎管段，沿縱向中心線(xiàn)剖開(kāi)，選用外半彎，兩端用P11板材封堵，內(nèi)部密集填充剛玉料，爐內(nèi)燒結(jié)后沿工藝彎管外彎施焊，在外彎部位形成外保護(hù)半套管，實(shí)現(xiàn)了三重保護(hù)，大大增加了彎管的使用壽命，而且該方法實(shí)施簡(jiǎn)易，經(jīng)濟(jì)性好，也方便對(duì)彎管的后期運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)(見(jiàn)圖5)。

圖5 彎管改造示意

圖6為實(shí)施外保護(hù)半套管運(yùn)行1 a后的紅外檢測(cè)圖。從圖6可以看出，彎管運(yùn)行狀態(tài)良好，沒(méi)有發(fā)生管道的沖蝕泄漏。

2.5.2 降低氣速

在吸附劑管徑一定的情況下，降低接收器中的氫氣提升量，降低氣相返回線(xiàn)的氣速，能夠降低吸附劑顆粒對(duì)彎管的磨損，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。失效彎管泄漏前氣量維持在1 400 m3/h，泄漏后降低至800 m3/h，磨蝕速率降低2～4倍。但提升氫氣量降低太多，會(huì)影響接受器中吸附劑的流化狀態(tài)，也不易充分脫出吸附劑從反應(yīng)器中攜帶過(guò)來(lái)的油氣和細(xì)粉塵，對(duì)后續(xù)的再生轉(zhuǎn)劑系統(tǒng)設(shè)備、儀表、程控閥門(mén)產(chǎn)生堵塞、磨損，同樣降低裝置的運(yùn)行安全性，縮短運(yùn)行周期，所以降低管道內(nèi)氣量應(yīng)當(dāng)適度。目前裝置設(shè)定的氣相返回線(xiàn)管內(nèi)氣量維持在900～1 000 m3/h，經(jīng)過(guò)1 a的觀(guān)測(cè)，運(yùn)行情況良好。

圖6 彎管紅外檢測(cè)圖

2.5.3 增大管徑

增大管徑，能夠提升吸附劑在彎管內(nèi)的運(yùn)行空間，降低吸附劑之間的碰撞動(dòng)能，延緩對(duì)彎管的沖蝕。失效管線(xiàn)管徑設(shè)計(jì)為DN100，經(jīng)設(shè)計(jì)單位核算，后期擬將失效管段管徑調(diào)整為DN150,將在一定程度上延長(zhǎng)管道的運(yùn)行周期。

3 結(jié) 語(yǔ)

新一代S Zorb裝置反應(yīng)器氣相返回線(xiàn)的沖蝕泄漏危險(xiǎn)性較大，泄漏現(xiàn)象普遍，通過(guò)簡(jiǎn)單的定點(diǎn)測(cè)厚不能夠及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)減薄部位的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)失效機(jī)理分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出一種增加帶耐磨內(nèi)襯的外保護(hù)半套管的改造措施，并提出通過(guò)適當(dāng)降低氣量、增大管徑的方式延緩對(duì)彎管的沖蝕，延長(zhǎng)管道的使用壽命。

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