煉油廠汽油加氫裝置中的管式混合器泄漏問題研究

王浩

摘 要：鑒于某煉油廠汽油加氫裝置在生產過程中，管式混合器發生的幾次器壁泄漏情況，對容器內介質的流動狀態采用Fluent軟件模擬分析其器壁受力情況，同時對汽油加氫裝置靜態混合器腐蝕因素進行綜合分析，從而減少因混合器泄漏而帶來的非計劃停工。

關鍵詞：混合器;腐蝕;結構;Fluent

中圖分類號：TE624 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.010

Study on Leakage of Tubular Mixer in Gasoline Hydrogenation unit of Refinery

WANG Hao

（Sinopec Jinling Branch，Nanjing 210033，China）

Abstract： This study introduces the leakage of the generator wall of the tubular mixer several times in the production process of the gasoline hydrogenation unit of a refinery. The flow state of the medium in the container is simulated and analyzed by FLUENT software. At the same time， the corrosion factors of the static mixer of the gasoline hydrogenation unit are comprehensively analyzed， so as to reduce the unplanned shutdown caused by the leakage of the mixer.

Keywords： mixer; corrosion; structure; Fluent

0 概述

某煉油廠汽油加氫裝置設計處理能力為20×104 t/a，以常一線140～200 ℃餾分油為原料，生產滿足揚巴的200#溶劑油產品。自1988年投產以來，至今經歷了6次改造，目前處理能力為45×104 t/a，加工常減壓頂汽油，產品去重整罐區。

1 管式混合器原理及流程分布

裝置管式混合器位于高換出口進高壓空冷之間，為高壓空冷注水，防止銨鹽結晶堵塞，管式混合器主要用于液液兩相混合，而液液兩相混合的實質是液液分散。研究表明：管式混合器中液液分散過程存在分布混合和分散混合兩種行為，且兩者共同作用實現液液分散。一方面，分散相破碎形成液滴同時液滴間也發生聚并，最終液滴破裂和聚并在某一平均液滴直徑下形成動態平衡，此過程視為分散混合;另一方面，分散相形成的液滴將逐漸均勻分布在連續相中，最終實現均勻分布，此過程為分布混合。兩種混合行為貫穿整個過程，且均沿著管式混合器長度發展。

管式混合器流程如圖1所示。

2 運行中出現的問題

在生產過程中，管式混合器（見圖2和圖3）自2011年至2015年器壁泄漏3次，造成非計劃停工3次。2011年管式混合器器壁穿孔，裝置緊急停工，扒掉保溫圍繞漏點進行測厚檢查，管線規格為Ф219×12/20#，發現漏點周邊并無減薄情況，緊急對漏點進行包套處理，裝置開工。2012年2月管式混合器在原包套位置下側100 mm處器壁穿孔，緊急停工對混合器器壁進行測厚檢測厚度，無異常，為了安全起見，混合器整體包套處理。2014年1月混合器再次發生器壁穿孔泄漏，裝置停工包套處理，于2015年裝置檢修期間更換新管式混合器，再無器壁穿孔泄漏事故發生。

3 原因分析

管式混合器發生器壁泄漏，從三方面進行分析，混合器采用的是Φ219×13/20#/GB8163流體碳鋼管，內部是20#碳鋼螺旋結構。介質為汽油、氫氣、水，操作溫度為140 ℃，操作壓力為3.6 MPa，最大壓降為0.03 MPa，如表1所示。內部混合結構為相互交叉的橫條組裝而成，橫條與管殼的軸線呈45°，內部單元與管殼采用焊接的方式連接，內部單元的兩端無限位結構。

3.1 器壁腐蝕成分分析

混合器的工藝介質中含S和N的化合物，經加氫反應后轉變成H2S和NH3，之后二者在低溫下生成NH4HS，同時存在微量HCl，在溫度低于200 ℃時，Cl2與NH3接觸將產生NH4Cl，在缺少液態水的情況下，NH4HS、NH4Cl會直接由氣相冷凝變成固態晶體，能迅速堵塞空冷器管束。為防止銨鹽結晶堵塞和腐蝕冷卻器，在空冷器的進口管線中注水，使銨鹽溶于水中。由于銨鹽水溶液的存在，介質的流速受到很大制約，流速太大會發生沖蝕，流速太小又易堵塞，并形成垢下腐蝕。裝置受公司生產調整，頻繁提降量，混合器中工藝介質流速發生變化，混合器碳鋼管內表面會生成垢下銨鹽，迅速形成局部腐蝕。而注水混合器的使用環境，完全滿足產生銨鹽的條件[1]。

3.2 混合器內部結構單元的強度校核

采用混合器內部結構單元與器壁焊接的結構，當內部單元受到介質沖刷時，混合器整體都會受到介質的沖擊應力，在內部單元脫焊后，內部單元也會受沖擊應力影響撞擊器壁，加劇器壁腐蝕泄漏的速度。在2011年、2014年器壁發生泄漏時，檢測單位對漏點周圍采用美國泛美26MG超聲波測厚儀進行測厚檢查（見表2和表3），發現漏點周圍器壁并無嚴重減薄的情況存在，2011年最薄為8.2 mm，2014年最薄為9.4 mm。

混合器用Fluent流體力學軟件進行模擬分析，根據內部單元的力學分布情況，可以看出內單元受到的屈服力分布變化不大，最大屈服力發生在葉輪邊緣，最大值為333.2 MPa，小于材料的屈服強度，如圖4所示，滿足強度要求。

3.3 混合器結構進行分析

將混合器進行解體，發現漏點在器壁與內部結構單元焊點處，同時內單元葉輪邊緣與器壁的焊點脫焊（注水點處內單元焊點），且器壁被內單元葉輪邊緣打磨出一道溝槽。

混合器器壁泄漏的主要原因如下。

①近些年裝置經過擴能改造及原料性質不斷變化，原料中硫、氮含量大幅度增加（見圖5），遠遠超出當初設計標準。硫、氮形成銨鹽，生成的NH4HS、NH4Cl對結構單元、器壁、單元與器壁焊點造成腐蝕。

②流體對混合器內部單元、內部單元與器壁焊點的沖刷應力加劇了器壁的腐蝕泄漏的速度，而靠近注水點處兩種液體混合處，形成液體應力旋渦，內單元邊緣在靠近注水點處的焊點所受應力最大，隨著介質流動，介質由層流改成湍流，同時靜壓強逐步降低，內單元與器壁下部焊點所受應力逐級降低，所以最接近注水點處焊點最容易脫焊。

③混合器的內單元與器壁連接的這種焊接方式，在內部結構與器壁脫焊后，內單元葉輪邊緣頻繁碰撞、摩擦器壁，從圖5中可以看出，導致器壁泄漏的主要原因是混合器的結構不合理，內單元與器壁碰撞、摩擦。

4 解決措施

針對裝置出現的管式混合器頻繁腐蝕泄漏停車事故，對泄漏原因進行分析，并提出整改建議。2015年裝置停工檢修期間，為保證裝置長周期安全運行，采取以下措施。

①更換了管式混合器，管束材質升級為304不銹鋼，提高材料抗介質沖刷應力的屈服強度，提高器壁的耐磨性能與抗銨鹽腐蝕性能，同時檢測介質的氯離子含量，以防止氯離子對不銹鋼材料造成的應力腐蝕開裂。

②對注水混合器內部結構單元進行了改造。管式混合器采用SWX型內部結構單元，由相互交叉的橫條組裝而成，橫條與管殼的軸線呈45 ℃，這樣能使流體在內部做X字形流動，各自分散，彼此結合，兩側采用與內部結構單元分開的限位結構，對內部混合單元起到固定的作用，內部單元與器壁脹接，而不采用焊接，避免了焊點脫焊后，因內單元對器壁造成的摩擦、碰撞而引起的泄漏，如圖7所示。

③根據裝置生產負荷，調整裝置注水量，將注水量從1～2 t/h提高到3 t/h，在2015年裝置檢修期間更新流量大的高速注水泵，完全可以滿足工藝生產注水要求。

④裝置在生產過程中嚴格控制原料以及重整氫氣中氯離子含量，裝置生產系統采用的氫氣是重整低壓氫氣，重整氫氣會攜帶少量氯離子[2]，在生產過程中要每天對新氫進行采樣分析，控制重整氫氣中氯離子的含量。

5 結語

目前裝置管式混合器使用2年，在裝置頻繁提降量的過程中，混合器內部無內構件與器壁碰撞、摩擦聲音，同時混合器器壁進行定點測厚，數據在12.7 mm以上，無問題。

參考文獻：

[1] 張柏林，王立蘭，錢剛.加氫精制裝置常見腐蝕問題分析[J].化工科技，2010，18（4）：35-37.

[2] 黃曉文，黃藹民，謝濤.柴油加氫裝置高壓換熱器管束銨鹽結晶原因分析及對策[J].煉油技術與工程，2007，37（4）：17-19.