DCC裝置穩定塔重沸器管束泄漏原因分析與對策

李 貴，王勝潮，楊豐華，鐘海博

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

某石化企業2.2 Mt/a催化裂解(DCC)裝置采用中石化石油化工科學研究院有限公司研發的DCC-plus專利技術[1-5]，以常壓渣油和加氫裂化尾油為原料，以乙烯、丙烯等低碳烯烴為目的產品，副產富含芳烴的裂解石腦油[6]。裝置主要包括反應-再生系統、分餾系統、吸收穩定系統和煙氣脫硫系統。自2016年6月裝置首次開工以來，穩定塔塔底重沸器多次發生泄漏，不僅影響經濟效益，而且嚴重影響裝置的長周期安全運行。為此，對穩定塔塔底重沸器泄露原因進行分析，并進行穩定塔工藝參數優化和重沸器改造，以下對此進行介紹。

1 工藝流程簡介

DCC裝置吸收穩定系統穩定塔的作用是將脫乙烷汽油進一步分離出液化氣和蒸氣壓合格的穩定汽油，工藝流程見圖1。穩定塔塔底設有2臺重沸器，第一、第二重沸器管程分別以分餾塔第二中段循環油(簡稱分餾二中油)、3.5 MPa中壓過熱蒸汽作為熱源，殼程介質為穩定汽油，其中第二重沸器管程、殼程的操作壓力分別為4.0 MPa和1.49 MPa。

圖1 穩定塔工藝流程示意

2 存在的問題及應急處理措施

2.1 存在的問題

在裝置首次開工半年后，穩定塔出現了若干問題。

(1)在加工負荷不變的情況下，穩定塔塔底溫度變化情況見圖2。從圖2可以看出，隨著裝置運行時間的增加，穩定塔塔底溫度出現緩慢下降現象，由175 ℃逐步降低，最低至158 ℃。穩定汽油蒸氣壓變化情況見圖3。從圖3可以看出，穩定汽油蒸氣壓經常出現不合格現象(最高達80 kPa)。

圖3 重沸器改造前后穩定汽油蒸氣壓變化趨勢

(2)第二重沸器熱源3.5 MPa中壓過熱蒸汽耗量明顯增加，由22.4 t/h增加到28.2 t/h，造成穩定塔塔頂冷卻負荷明顯增大。夏季塔頂空氣冷卻器全開仍不能滿足冷卻要求，嚴重制約了裝置的加工負荷。另外，塔頂回流罐罐底酸性水界位逐漸上漲，界位閥開度由0升至約20%。

(3)凝結水含油量顯著上升，油質量濃度由0.1 mg/L上升至4.11 mg/L，同時發現凝結水有明顯油氣味。

綜合以上現象，確定穩定塔第二重沸器管束發生內漏，存在中壓蒸汽和穩定汽油互串現象，造成穩定汽油帶水，凝結水帶油。2016年6月至2021年4月兩個生產周期內，重沸器先后發生3次管束泄漏，被迫采取非常規應急措施維持生產。2020年4月因管束泄漏情況加劇，裝置被迫停工消缺。

2.2 應急處理措施

2.2.1調整工藝操作參數，維持平穩生產

(1)采取控制重沸器管程壓力略大于殼程壓力的應急辦法減輕泄漏量?？刂颇Y水緩沖罐壓力稍高于穩定塔塔底壓力，壓差約0.06 MPa，利用中壓蒸汽封住泄漏點。為保證凝結水緩沖罐壓力盡可能平穩，將凝結水緩沖罐的控制方式由原來的液位控制改為壓力控制(見圖1)，同時凝結水緩沖罐采取滿液位操作。即允許泄漏的少量蒸汽進入穩定塔，抑制穩定汽油竄入凝結水。泄漏的蒸汽經過塔頂冷凝后從回流罐液包排出，不會對液化氣產品質量造成影響。

(2)優化穩定塔操作參數，保證產品質量合格。

為了保證穩定塔的正常操作，使液化氣及穩定汽油產品質量控制在指標范圍內，防止管束內漏擴大出現非計劃停工事故，對穩定塔操作參數進行了優化，如表1所示。從表1可以看出，穩定塔操作優化后，重沸器管/殼程壓差降低0.02 MPa，凝結水泄漏量減少1.3 t/h，有效抑制了管束泄漏。管束泄漏期間，為了保證產品質量合格，重沸器3.5 MPa蒸汽消耗量較大，造成了能量浪費。

表1 穩定塔優化前后及重沸器改造后操作參數對比

2.2.2監控重沸器泄漏量，保證凝結水系統安全運行

(1)監控重沸器管、殼程壓差，防止汽油和凝結水互竄。定時由放空閥檢查凝結水含油情況，若發現油氣味或化驗分析含油質量濃度大于1 mg/L，及時調整凝結水緩沖罐和穩定塔塔底的壓差。

(2)重沸器3.5 MPa中壓蒸汽采取定量控制，避免因頻繁調節導致管束振動加劇，同時增加第一重沸器分餾二中油取熱負荷，以達到降低第二重沸器運行負荷的目的。

(3)加強穩定塔塔底及進料層靈敏板溫度的監控。根據溫度變化判斷重沸器內漏情況，并據此及時調整工藝參數以抑制泄漏擴大。

通過這種方式維持重沸器平穩運行兩年左右，因此對于臨近檢修的裝置不需要額外停工搶修重沸器，待停工檢修時統一處理[7]。

3 管束泄漏的原因分析

2018年12月大檢修期間，發現重沸器13根管束泄漏，并未查出泄漏原因，只進行了堵管處理。2019年1月至2021年4月第二個生產周期內，重沸器先后發生2次管束泄漏。2020年4月因管束泄漏加劇，裝置停工消缺，在對重沸器更換芯子時發現，舊芯子部分管束出現異常磨損斷裂(見圖4)。根據換熱管泄漏位置的分布，磨損斷裂的管束主要集中在殼程入口第一排換熱管(見圖5)。

圖4 管束斷裂和磨損情況

圖5 管束主要泄漏部位

2021年4月大檢修期間檢查發現重沸器多根管束損壞嚴重(與2020年4月消缺時現象相同)，且管束與折流桿接觸位置有明顯的磨損切口，甚至已經斷裂。經初步分析，造成這種現象的主要原因是振動管束與折流桿不斷發生碰撞摩擦，折流桿對管束產生鋸割作用導致管束出現切口，直至斷裂[8]。因此，可以確定管束損壞、斷裂是造成重沸器泄漏的主要原因。

3.1 管束振動、碰撞摩擦損壞

3.1.1管束產生振動、碰撞摩擦損壞的原因

(1)重沸器結構設計不合理。該重沸器管束采用的是折流桿式U型管束，殼程流體雖然總體上為縱向流，但在殼程進出口區域仍然以橫向流占主導地位，由于橫向流對管子的激勵作用較強，而折流桿對管子的支承作用較弱，因此折流桿換熱器仍可能在殼程流體進出口區域發生管子振動破壞[9]。尤其是在殼程流量大、較強烈的激勵環境下，容易造成管束振動、折流桿與換熱管反復碰撞摩擦，產生鋸割作用，導致換熱管減薄、泄漏甚至斷裂。

(2)殼程入口處未設置防沖板或導流筒。重沸器殼程入口穩定汽油流量設計值為610 t/h，在進入殼體后，殼程內介質處于氣液兩相(設計值氣相122 t/h，液相488 t/h)，汽化率達20%。殼程入口未設置防沖板或導流筒，導致管束受到的沖擊較大。根據2020年4月更換芯子后僅半個月再次發生泄漏，以及部分斷口無明顯摩擦痕跡的情況，判斷部分管束斷裂是由于介質汽化形成向上的沖擊力，導致管束與折流桿發生強烈碰撞造成的。

(3)第一排換熱管與折流圈擋板間距過大。第一排換熱管設計間距為100 mm(見圖6)，折流圈擋板設計規格為18 mm×12 mm(見圖7)，折流圈擋板與換熱管的間距達到41 mm，擋板對第一排換熱管的固定作用有限。另外，檢查中發現第一排換熱管處于明顯的輕微自由活動狀態。

圖6 第一排管設計間距

圖7 折流圈擋板設計規格

(4)折流桿單向支承的局限性。胡明輔等[9]對比了無支承(僅由管板支承)、圓鋼桿單向支承、圓鋼桿雙向支承、折流板支承4種支承方式對于管子抗振性能的影響，若僅從機械抗振角度來看，折流桿換熱器對管子的支承方式遠不如折流板換熱器的支承方式有效。由于折流桿對管子的支承作用較弱，管束振動會在第一排管子處產生較高的接觸應力，對換熱管產生鋸割作用(見圖4)，長時間的磨損、減薄而導致泄漏，且泄漏位置主要集中在換熱管與折流桿接觸的部位。

3.1.2工藝介質流體傳熱產生振動

穩定汽油進入重沸器底部進行換熱，部分介質發生汽化，造成殼程介質出現局部流型復雜、不穩定的兩相流狀態。由于汽化后引起的流體流速增加，換熱管將產生繞流的漩渦脫落、紊流振動和流體彈性激振等問題[10]。旋渦交替產生和脫落時，流體對管束會產生一個周期性的交變橫向作用力，產生周期性的升力與阻力，導致管子振動。當流體誘發振動的頻率與管束的固有頻率接近時，會造成管束振動急劇增大，導致管束的損壞。

3.1.3重沸器氣相返塔管線無吸收振動設計

重沸器氣相返塔管線直接與穩定塔連接，流體產生的振動大部分被管束吸收，間接加劇了振動。

3.2 腐蝕問題

檢修時打開設備發現，管束外表面存在點蝕現象且表面螺紋腐蝕損耗嚴重，在管束外表面和管束之間堆積了較多鐵屑和溶解性鹽等雜質，管束橫切面有明顯腐蝕痕跡。

經分析，穩定汽油硫質量分數為242.4 μg/g，長期超過設計值(180 μg/g)。在催化裂化反應溫度條件下原料油中的硫化物生成H2S，原料油中有質量分數為1%～2%的氮化物轉化為HCN，在吸收穩定系統的溫度和水存在條件下，形成了HCN-H2S-H2O型腐蝕環境。通常管束存在應力，在HCN-H2S-H2O環境下很容易產生硫化物應力腐蝕開裂[11]。因此介質中硫化物超標和汽油帶水加速了換熱管腐蝕，也是換熱管泄漏的原因之一。

3.3 操作原因

3.5 MPa中壓過熱蒸汽進入管程換熱后存在氣液兩相，流型比較復雜，操作不當會加劇管束的振動。開工投用重沸器時加熱蒸汽未徹底脫水、升溫過快，以及正常生產時頻繁調整蒸汽量，均會造成重沸器運行工況不穩定，使管束振動加劇。

4 采取的措施

(1)改造重沸器結構和氣相返塔管線。經與設計院溝通，對重沸器結構進行了重新設計，將重沸器結構由折流桿U形管式改為折流板浮頭式，并設置支持板、防振板，減輕氣相介質對管束的沖擊，降低管束在運行過程中的振動。其次，重沸器氣相返塔管線增加U形膨脹彎設計，吸收部分設備振動。

(2)優化原料配比，減少高硫原油摻煉比例，嚴格控制混合原料油硫含量在設計指標范圍內。

(3)在開工階段重沸器投用時，中壓蒸汽充分脫水，重沸器及蒸汽管線提前預熱，嚴格控制升溫、升壓速率，避免水擊和大幅波動造成管束振動。

(4)在正常運行階段，中壓蒸汽流量采取定值控制，盡量使用第一重沸器調節穩定塔塔底溫度。

5 采取措施后的效果

5.1 重沸器實現安全平穩長周期運行

表2為重沸器改造前后產品質量對比。從圖2、圖3和表2可以看出，改造后穩定塔塔底溫度控制平穩，維持在171 ℃左右，塔板分離效果理想，液化氣、穩定汽油產品質量合格且控制良好。重沸器改造后已安全運行超過一年時間，未發現泄漏跡象，保證了裝置安全高效長周期運行。

表2 改造前后產品質量對比

5. 2 節能效果顯著

在裝置處理量不變的情況下，重沸器改造前后中壓蒸汽消耗量變化趨勢見圖8。從圖8可以看出，重沸器改造后中壓蒸汽消耗量明顯下降，由28.2 t/h下降到20.5 t/h。另外，由于穩定汽油不再帶水，第一重沸器取分餾熱量減少，油漿蒸汽發生器多發蒸汽約2 t/h，合計節約中壓蒸汽約9.7 t/h。中壓蒸汽價格按293.26元/t計算，裝置運行時間8 400 h/a，節能產生效益約2 390萬元/a。

圖8 重沸器改造前后中壓蒸汽流量變化趨勢

5.3 消除安全隱患，實現裝置滿負荷生產

重沸器改造后，裝置夏季實現了滿負荷生產，而且穩定塔塔頂冷卻負荷還有部分余量，增加了操作彈性和抗風險能力。另外，重沸器泄漏問題解決后，凝結水系統恢復正常，徹底消除了安全生產隱患。

6 結論及建議

(1)折流桿式重沸器管束抗振性能較弱，管束與折流桿不斷產生碰撞摩擦，產生鋸割作用是導致管束磨損、斷裂的主要原因。

(2)通過優化設計重沸器結構及氣相返塔線走向，不僅解決了重沸器管束由于振動產生的磨損、斷裂泄漏問題，而且節能產生經濟效益2 390 萬元/a，保證了裝置的長周期安全高效運行。

(3)對介質流量大、汽化率較高、易引起管束振動的環境，建議采用折流板式換熱器。同時還應考慮在殼程介質入口處增加防沖板、導流筒或分流器等設備，以降低流體的流速，避免流體對管束的直接沖擊。

(4)對于已經發生泄漏的重沸器管束，通過合理控制管/殼程壓差和精細操作，可有效降低管束泄漏程度，維持正常安全生產。