許述劍，劉小輝，邱志剛，方 煜

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 266071)

乙烯裝置腐蝕安全狀況分析及開展RAM評(píng)價(jià)必要性

許述劍，劉小輝，邱志剛，方 煜

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島266071)

分析表明隨著加工原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，乙烯原料也呈現(xiàn)劣質(zhì)化趨勢(shì)，腐蝕、結(jié)垢、泄漏及老化等諸多問(wèn)題是影響乙烯裂解裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要因素，提出在乙烯裂解裝置開展基于經(jīng)濟(jì)分析的RAM系統(tǒng)評(píng)價(jià)，量化風(fēng)險(xiǎn)大小，并提出檢維修優(yōu)化措施。

乙烯裂解裝置 腐蝕 安全狀況RAM評(píng)價(jià)

大型乙烯裂解裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義，以400 kt/a乙烯裝置為例，6年一修與2年一修相比裝置效益增加4億元左右[1]。因此，乙烯生產(chǎn)企業(yè)在維持現(xiàn)有的能耗和安全操作的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)努力尋找防腐蝕與長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的新方法和措施。

隨著加工原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，乙烯原料也呈現(xiàn)劣質(zhì)化趨勢(shì)，對(duì)裝置運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)，例如：綜合能耗、雙烯收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下滑，裂解爐爐管焊縫腐蝕穿漏，急冷油出現(xiàn)分層現(xiàn)象及堿洗塔操作波動(dòng)等[2]。對(duì)2012年全球發(fā)生的煉油與化工事故從事故時(shí)間、事故類型、事故裝置、事故工藝等統(tǒng)計(jì)分析，表明乙烯裂解裝置是化工裝置中發(fā)生事故最多的裝置[3]，可見，乙烯裂解裝置存在設(shè)備和管線及閥門的腐蝕、結(jié)垢、泄漏、老化等諸多問(wèn)題，影響了裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

1 主要腐蝕現(xiàn)象

a)裂解爐輻射段爐管的滲碳和開裂，以及低溫段彎頭焊縫腐蝕泄漏。經(jīng)驗(yàn)表明，爐管損壞的主要原因不是蠕變損壞，而是爐管內(nèi)側(cè)滲碳，引起金屬體積膨脹，增大爐管外側(cè)(未滲碳層)的拉應(yīng)力，造成滲碳與未滲碳界面上軸向晶間開裂[4]。因此，今后重點(diǎn)開展?fàn)t管滲碳和開裂問(wèn)題的研究，完善滲碳檢測(cè)技術(shù)、建立判廢標(biāo)準(zhǔn)。此外，加工加氫裂化尾油在爐管低溫焊縫處發(fā)生熱化學(xué)腐蝕，原料中Ni與S發(fā)生反應(yīng)形成Ni3S2共晶體(融點(diǎn)為645 ℃)，恰好與穿孔部分溫度相符，融化物被高速裂解氣體不斷沖走，發(fā)生焊縫穿漏現(xiàn)象[2]，腐蝕機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

b)稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生腐蝕。裂解原料中含有有機(jī)硫化物，裂解過(guò)程中副產(chǎn)二氧化碳和碳四酸性物質(zhì)，稀釋蒸汽冷凝后，在預(yù)熱系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈酸腐蝕。沉積物中的硫化物也會(huì)產(chǎn)生腐蝕[4]。

c)毫秒爐透平機(jī)的復(fù)水器銅管經(jīng)常發(fā)生腐蝕穿孔及明顯縫隙腐蝕凹槽現(xiàn)象。由于復(fù)水器列管穿孔斷裂，破壞了透平系統(tǒng)的靜負(fù)壓，造成透平機(jī)組工作不穩(wěn)定,給生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失[4]。

d)裂解氣壓縮機(jī)系統(tǒng)腐蝕。為防止設(shè)備結(jié)垢需向裂解氣中噴入適量的水，再通過(guò)段間設(shè)備進(jìn)行脫出，在有水存在的系統(tǒng)中有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸對(duì)設(shè)備的腐蝕較大[5]。存在裂解氣側(cè)乙酸、丙酸、濕H2S腐蝕，裂解氣側(cè)相變的加速腐蝕，循環(huán)水側(cè)氧的去極化腐蝕、管程內(nèi)粘泥沉積導(dǎo)致Cl-富集形成孔蝕和管程內(nèi)硫酸鹽還原菌的腐蝕等。

2 安全運(yùn)行影響因素

2.1 結(jié)垢堵塞問(wèn)題

a)爐管結(jié)焦是乙烯生產(chǎn)過(guò)程中最嚴(yán)重的問(wèn)題之一[6]，裂解過(guò)程中的結(jié)焦問(wèn)題直接關(guān)系到乙烯的收率和生產(chǎn)周期的長(zhǎng)短。爐管結(jié)焦不僅影響傳熱效果和產(chǎn)物收率，還會(huì)使管壁的溫度升高、壓降增大，增加提高反應(yīng)能耗，結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)還能堵塞爐管，迫使停工清焦，縮短了生產(chǎn)周期。而頻繁的清焦又會(huì)影響爐管的壽命，增加生產(chǎn)成本。更為嚴(yán)重的是結(jié)焦還會(huì)造成許多部位的不均勻性加熱，使?fàn)t管膨脹彎曲，甚至爆管。

b)部分循環(huán)水換熱器堵塞嚴(yán)重。堵塞原因有：①循環(huán)水場(chǎng)為開放式，會(huì)有部分雜物進(jìn)入到運(yùn)行的水系統(tǒng)；②冬季環(huán)境溫度較低，涼水塔內(nèi)部結(jié)冰，造成填料破損，化凍后帶入系統(tǒng)；③循環(huán)水泵入口過(guò)濾網(wǎng)使用效果不理想，在使用或切換時(shí)存在雜物穿透問(wèn)題。

2.2 泄漏問(wèn)題

a)蒸汽凝液管線彎頭泄漏。隨運(yùn)行年數(shù)的增加，蒸汽凝液管線彎頭泄漏數(shù)量明顯增加，其中以低壓、中壓蒸汽凝液為主，特別是中壓蒸汽凝液管線，出現(xiàn)了整條主管線彎頭幾乎全部泄漏的狀況[7]。原因主要有：①凝液系統(tǒng)彎頭經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間沖刷，管壁減薄，耐壓能力下降，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，極易出現(xiàn)泄漏；②伴熱系統(tǒng)疏水器疏水效果變差，蒸汽泄漏到凝液中造成凝液帶汽，在彎頭處沖刷力增大，造成管線沖刷減薄，造成泄漏。

b)冷箱泄漏。低壓脫乙烷塔頂碳二與丙烯冷劑換熱內(nèi)漏[7]。出現(xiàn)泄漏的原因有：①冷箱的冷物料為丙烯冷劑，對(duì)冷劑罐液未嚴(yán)格要求，致使冷劑罐液位變化較大，經(jīng)常出現(xiàn)空罐，導(dǎo)致設(shè)備溫差變化較大，對(duì)設(shè)備損壞較大；②裝置波動(dòng)造成斷料，塔底再沸調(diào)整不及時(shí)導(dǎo)致塔頂溫度快速上漲，冷箱溫升速度過(guò)大，設(shè)備受損，致其內(nèi)漏。

c)冷卻水換熱器泄漏。部分循環(huán)水換熱器泄漏嚴(yán)重，主要有急冷水冷卻器、乙烯壓縮機(jī)段間冷卻器、丙烯制冷壓縮機(jī)出口冷卻器、丙烯精餾塔頂冷卻器等水冷器存在大面積泄漏問(wèn)題[7]。

2.3 老化、失效及缺陷等問(wèn)題

a)裂解氣壓縮機(jī)部件磨損老化。大檢修期間對(duì)裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)高壓缸、中壓缸轉(zhuǎn)子疏齒密封磨損較嚴(yán)重。造成轉(zhuǎn)子磨損的原因可能有：①裝置長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組部件老化，密封件長(zhǎng)時(shí)間作用下磨損較多；②裂解氣組分變化，裂解氣中的不飽和組分、雜質(zhì)較多時(shí)，壓縮過(guò)程中會(huì)在殼體、隔板、流道等處凝結(jié)或聚合從而產(chǎn)生附著，長(zhǎng)時(shí)間累積、增厚，造成轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有摩擦，造成密封磨損；③壓縮阻聚劑注入量存在偏差，助劑泵故障較為頻繁，只能中斷阻聚劑注入，也是聚合物生成量多的原因之一[7]。

b)裂解爐管失效。中國(guó)石化10家乙烯企業(yè)乙烯裂解爐管使用情況調(diào)研表明[8]，導(dǎo)致乙烯裂解爐管失效的主要原因是滲碳，爐管失效是由爐型結(jié)構(gòu)、裂解原料、爐管、爐管焊接件與靜態(tài)澆鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)運(yùn)行中的問(wèn)題以及安裝等多種因素導(dǎo)致的，凸顯乙烯裂解爐管使用壽命短的嚴(yán)峻問(wèn)題[9]。

c)余熱回收系統(tǒng)的缺陷。余熱回收系統(tǒng)，可能存在的問(wèn)題主要有：①鍋筒、主蒸汽管安全閥排汽管的底部疏水管均未接至安全地點(diǎn)，部分鍋爐鍋筒安全閥排汽管底部疏水管裝設(shè)閥門，鍋爐安全閥校驗(yàn)后未立即進(jìn)行鉛封；②鍋爐范圍內(nèi)汽水管道疏水截止閥、放水閥出口法蘭均采用法蘭蓋密封，管道疏放水管未接至安全地點(diǎn)；③廢熱鍋爐部分換熱管內(nèi)壁結(jié)焦、堵塞，換熱效果降低；④鍋筒內(nèi)直讀水位計(jì)汽連接管、連續(xù)排污管焊縫處管孔內(nèi)有較高焊瘤，焊縫外觀質(zhì)量差；⑤鍋筒內(nèi)給水管彎頭上、下端法蘭部分連接螺栓松動(dòng)致使部分螺栓螺母脫落，連續(xù)排污法蘭部分連接螺栓松動(dòng)；⑥減溫器噴水裝置法蘭部分連接螺栓未旋出螺母平面；⑦一級(jí)減溫器內(nèi)表面和二級(jí)減溫器內(nèi)表面大面積結(jié)垢，一級(jí)減溫器筒體西北側(cè)距三通上端對(duì)接焊縫、二級(jí)減溫器筒體西北側(cè)距三通上端對(duì)接焊縫均存在吹損減薄現(xiàn)象；⑧過(guò)熱器聯(lián)絡(luò)管彈簧吊架吊桿偏斜，花蘭螺母彎曲變形嚴(yán)重等。

3 小結(jié)

隨著加工原油的重質(zhì)化、劣質(zhì)化，乙烯原料也呈現(xiàn)劣質(zhì)化趨勢(shì)，使得裝置的設(shè)備、管線及閥門普遍存在腐蝕、結(jié)垢、泄漏、老化等諸多問(wèn)題，影響了裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，甚至造成乙烯裝置頻繁發(fā)生事故，成為生產(chǎn)裝置中事故最多的部位。

a)主要腐蝕現(xiàn)象有：裂解爐輻射段爐管的滲碳和開裂，以及低溫段彎頭焊縫腐蝕泄漏；稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的腐蝕；毫秒爐透平機(jī)復(fù)水器銅管的腐蝕穿孔及縫隙腐蝕；裂解氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的腐蝕等。

b)主要安全影響因素有：爐管結(jié)焦和部分循環(huán)水換熱器堵塞；冷箱、蒸汽凝液管線及冷卻水換熱器泄漏；裂解氣壓縮機(jī)部件磨損老化、裂解爐管失效及余熱回收系統(tǒng)的缺陷等。

4 開展RAM評(píng)價(jià)的必要性

針對(duì)乙烯裝置存在的問(wèn)題，開展系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性及可利用性評(píng)價(jià)，探索影響裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要失效模式及其發(fā)生概率，量化存在的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本損失的大小等，從而優(yōu)化裝置檢修和維護(hù)策略，無(wú)疑是必要的。

a)可靠性(Reliability)、可利用性(Availability)和可維護(hù)性(Maintainability)簡(jiǎn)稱RAM?？煽啃灾匾碚鲄?shù)是平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)?？删S護(hù)性重要表征參數(shù)是平均維護(hù)時(shí)間(Mean Time To Repair，MTTR)。常用的維護(hù)方案：修正性維修(設(shè)備意外故障后)、預(yù)防性維護(hù)(PM，基于特定的時(shí)間間隔)、基于設(shè)備狀況的維護(hù)(CBM，對(duì)設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或周期性檢測(cè))?？衫眯灾缚倳r(shí)間跨度內(nèi)正常工作時(shí)間的百分比。運(yùn)行時(shí)間受可靠性影響，停工時(shí)間受可維護(hù)性影響，因此可靠性及可維護(hù)性決定可用性。

b)基于經(jīng)濟(jì)分析的RAM系統(tǒng)評(píng)價(jià)，包括系統(tǒng)整體可靠性、可利用性、經(jīng)濟(jì)損失、影響系統(tǒng)壽命及經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備等量化分析，可得到裝置無(wú)故障安全運(yùn)行概率、裝置正常有效工作時(shí)間的百分比、影響裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要失效模式及概率、影響裝置經(jīng)濟(jì)損失的關(guān)鍵設(shè)備并量化損失的大小、影響裝置系統(tǒng)壽命及經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵設(shè)備等，針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備，提出大檢修和日常維護(hù)修理的建議，確定較高效益的投資改造方案，來(lái)降低失效風(fēng)險(xiǎn)和提高裝置系統(tǒng)的可利用性等。

RAM評(píng)價(jià)可以通過(guò)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性及可利用性，量化存在的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)成本損失的大小，提出乙烯裂解裝置最佳的設(shè)備維護(hù)和檢修方案，尋求最優(yōu)生命周期成本的設(shè)備管理方案，減少因設(shè)備故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)乙烯裂解裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，為企業(yè)帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

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EthyleneUnitCorrosionSafetyAnalysisandNecessitytoCarryOutRAMEvaluation

Xu Shujian，Liu Xiaohui，Qiu Zhigang，F(xiàn)ang Yu

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao,266071)

Through the research of ethylene cracking unit corrosion and safety running status analysis, it shows that as the processing of crude oil heavy inferior, ethylene raw material also presents the bad trend of ethylene raw material, corrosion, scale, leaks and aging and many other issues which are the main factors influencing the unit safe operation for a long period of time. It even cause lots of frequent accidents, and became the top accidents unit in the chemical plant. Therefore, the proposed RAM evaluation based on economic analysis in the ethylene cracker system to quantify risk, and maintenance measures is presented in this paper.

ethylene cracker unit; corrosion; safety evaluation; RAM

2015-07-02

許述劍，高級(jí)工程師，博士，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)化工材料專業(yè)，長(zhǎng)期從事煉化設(shè)備安全技術(shù)研究。