加氫裂化裝置腐蝕風險識別及完整性操作窗口（IOW）應用

崔軻龍 張立斌

（中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699）

0 引言

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

殼牌首先提出并應用完整性操作窗口（Integrity Operating Windows，簡稱IOW）進行設備完整性與可靠性管理[5]。API將其標準化，形成API 584，完整性操作窗（IOW）口是預設工藝參數界限并執行，以預防系統控制的中斷，以免導致無法充分控制整個工藝，避免承壓設備的未預計或未作應對計劃的性能劣化或損壞，包括設計變量范圍內維持控制的關鍵工藝參數（物理型）和腐蝕介質含量（化學型）兩種類型[6]。本文通過對影響加氫裂化裝置典型的腐蝕機理分析，采用HAZOP節點劃分方法進行腐蝕回路劃分[7,8]，RBI方法評估腐蝕風險[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標準中腐蝕回路的劃分原則為將腐蝕機理相似、操作條件相似、材料機構相似的單元劃分到同一個部分中，但該方法在實際腐蝕回路劃分過程中存在一定困難，不同人員之間的劃分結果存在較大偏差。危險與可操作研究（HAZOP）方法中的工藝節點是指將系統或操作按具有確定邊界的設備、物料、管線、相態等劃分為不同的單元，使用HAZOP分析方法中的節點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確性。

根據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個腐蝕回路（Corrosion Circuit以下簡稱CC）。

表1 加氫裂化裝置腐蝕回路表

2 加氫裂化裝置腐蝕風險評估

RBI使用相對風險的概念，將設備一部分相對于另外一部分的風險排序，以確定檢測優先權，過去的檢查和腐蝕監測結果也與行業經驗一起，用以確定設備和管道的風險。采用RBI方法、同時基于對加氫裂化裝置的操作經驗對18個腐蝕回路完成基礎的腐蝕風險評估，將每個腐蝕回路按照損傷機理“可能性等級”和“后果等級”分類，評估出高風險回路3個，分別為：CC-01原料油進反應器、CC-02反應器及流出物、CC-03熱高分氣/熱低分氣。將上述3個腐蝕回路簡化為高溫部位腐蝕風險和反應流出物系統銨鹽腐蝕風險進行評估。

2.1 高溫部位腐蝕風險評估

加氫裂化裝置進料為減壓蠟油、焦化蠟油，在反應器之前存在高溫硫與環烷酸腐蝕，進反應器之后，環烷酸分解，需考慮高溫硫腐蝕，在原料混氫后的進料流程、反應流出物系統及循環氫系統，需考慮高溫H2/H2S腐蝕。

首先核對選材是否滿足規范要求，以SH/T 3129高酸原油加工裝置設備和管道設計選材導則、SH/T 3096高硫原油加工裝置設備和管道設計選材導則、Nelson曲線等作為參考依據，裝置高溫部位選材均滿足標準要求。收集近一年原料油硫含量、酸值分析數據，取平均值作為風險評估基礎和裝置硫、酸分布的依據，具體數據如表2所示。

表2 腐蝕介質分布數據

通過API 581附錄中腐蝕速率表核算，發現加氫裂化裝置理論腐蝕速率大于0.2mm/a的管道1條。進料段高溫部受環烷酸影響，E-105～E-102進料線現有材質是A335-P22，理論腐蝕速率達到0.254mm/a，如表3所示。

表3 理論腐蝕速率大于0.2mm/a設備管線

2.2 熱高分氣/熱低分氣系統銨鹽腐蝕風險評估

加氫反應過程中生成的H2S、NH3和HCl是熱高分氣/熱低分氣系統里堵塞與腐蝕的第一重要因素[10]，在一定溫度下會生成NH4Cl和NH4HS結晶，造成反應流出物系統設備管線堵塞、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問題。固態NH4Cl和NH4HS的形成，主要與兩類因素相關：原料的S、N、Cl；環境壓力與溫度。為了，采用API RP 932B提供的預測模型計算NH4Cl和NH4HS結晶溫度、注水量、銨鹽沖刷腐蝕理論腐蝕速率等參數評估風險，計算的主要結論數據如表4所示。

表4 反應流出物系統腐蝕風險評估主要結論數據

根據計算結果，結合工藝流程，可得出的如下結論：

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

（2）NH4HS結晶溫度位于空冷E-108之后，在空冷E-108之前有注水措施，計算注水量14.67t/h，實際注水量15t/h，因此NH4HS不會在反應流出物系統析出；

（3）NH4HS濃度為1.78%，會造成注水點后設備管道的沖刷腐蝕，理論腐蝕速率為0.127mm/a，具有一定的風險。

3 建立加氫裂化裝置完整性操作窗口（IOW）

為保障裝置的長周期運行，根據識別的高風險腐蝕回路，通過腐蝕速率監測、工藝操作減緩和預防腐蝕，煉出關鍵參數組成壓力設備的操作邊界，綜合成一系列的操作窗口[11]。

（1）CC-01原料油進反應器回路主要風險為高溫H2/H2S腐蝕，回路中管線材質為A335-P22，應通過在線測厚探頭對E-105至E-102進料線進行壁厚監測；

（2）CC-02反應器及流出物回路主要風險為反應器高溫氫損傷及氫脆，開停工過程中應嚴格遵守升降溫、升降壓控制參數，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險為NH4Cl和NH4HS結鹽，造成反應流出物系統設備管線堵塞、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問題。加氫裂化原料中N、Cl是影響NH4Cl結晶溫度的關鍵參數，原料中N、S是影響NH4HS結晶溫度與濃度的關鍵參數，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個高風險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 結語

（1）根據HAZOP分析方法中的工藝節點劃分原則，即系統或操作按具有確定邊界的設備、物料、管線、相態等劃分為不同的單元，加氫裂化裝置工藝流程可劃分為18個腐蝕回路；

（2）通過RBI風險評估方法、操作經驗進行18個腐蝕回路的風險評估，評估出高風險腐蝕回路3個，主要的腐蝕風險為高溫H2/H2S腐蝕、高溫氫侵蝕及氫脆、NH4Cl和NH4HS結鹽引起的垢下腐蝕、沖刷腐蝕等問題并采用API RP 932B提供的預測模型計算了NH4Cl和NH4HS結晶溫度、注水量、銨鹽沖刷腐蝕理論腐蝕速率等參數；

（3）根據腐蝕風險評估結果，通過建立腐蝕速率監測、工藝操作等8個完整性操作窗口（IOW），可有效減緩和預防高風險腐蝕回路的腐蝕問題。