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        延遲焦化裝置高壓水泵節(jié)能及防腐蝕升級改造

        2019-01-09 10:04:48
        石油化工腐蝕與防護(hù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:焦化揚程焦炭

        (中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

        某石化企業(yè)4.2 Mt/a延遲焦化裝置,2009年4月投產(chǎn),為當(dāng)時國內(nèi)投產(chǎn)的單系列處理量最大的延遲焦化裝置。水力除焦設(shè)施中高壓水泵則是延遲焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備,在裝置的生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。由于該石化企業(yè)延遲焦化裝置受摻煉污泥和回?zé)捿p污油等影響,導(dǎo)致除焦水中含有較高的氯離子、硫離子及游離氧,其中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠超過1 200 μg/g。最初設(shè)計使用的高壓水泵葉輪材質(zhì)為不銹鋼,氯離子易引發(fā)不銹鋼材質(zhì)點蝕及應(yīng)力腐蝕開裂,后果非常嚴(yán)重。在2009—2014年期間,兩臺高壓水泵蓋板多次發(fā)生斷裂、穿孔、裂紋以及葉輪開裂等故障。

        因此,為了有效抑制氯離子的腐蝕,特別是高壓水泵轉(zhuǎn)子部位,將葉輪的材質(zhì)由馬氏體不銹鋼升級為雙相不銹鋼。

        1 高壓水泵揚程的確定

        該石化企業(yè)延遲焦化裝置,焦炭塔直徑為9.8 m,是當(dāng)時國內(nèi)最大直徑的焦炭塔。設(shè)計院在選擇高壓水泵時,以3.3 MPa/m為依據(jù)估算出高壓水泵的揚程,擔(dān)心無法將焦炭除凈,所以在估算的基礎(chǔ)上增加余量,揚程和流量分別為3 587 m和318 m3/h。

        經(jīng)過近幾年的運行發(fā)現(xiàn),盡管能夠?qū)⒔固克?nèi)焦炭除凈;但是在除焦過程中粉末狀焦炭較多。通過研究證明,造成粉末狀焦炭過多的主要原因為高壓水泵揚程較大。對比國內(nèi)運行的相同直徑焦炭塔,其高壓水泵揚程和流量分別為3 300 m和310 m3/h,除焦時間為3~3.5 h。相關(guān)經(jīng)驗表明:將該石化企業(yè)延遲焦化裝置高壓水泵的揚程降至3 300 m,將原有葉輪外徑由φ383 mm切割至φ359 mm,對除焦相關(guān)工作并無影響。

        2 高壓水泵葉輪材質(zhì)升級

        除焦高壓水泵輸送高壓水,通過除焦器進(jìn)行除焦作業(yè),因此,工藝操作上要求高壓水泵具有較高的揚程、較大的流量及較高的壓力。高壓水泵是延遲焦化裝置的耗能大戶,設(shè)計的驅(qū)動電機功率為5 000 kW,在不影響除焦的前提下,適當(dāng)降低高壓水泵揚程、泵出口壓力,可以有效地降低裝置的能耗。2014年對高壓水泵進(jìn)行節(jié)能改造,主要是將高壓水泵葉輪切割,使出口壓力降低至32 MPa,從而達(dá)到節(jié)能降耗目的。

        此外,在保證除焦壓力的前提下,解決腐蝕引起的高壓水泵葉輪故障,有兩種方法:一是提高除焦水品質(zhì),降低除焦水中各種腐蝕性陰離子的含量;但此方法需要不斷更換除焦水,補充新鮮水,運行成本非常高,不能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的;二是將高壓水泵葉輪材質(zhì)升級為耐氯離子腐蝕的2205的雙相不銹鋼,并且可以借用升級材質(zhì)更換新葉輪的機會,對該泵葉輪的流道重新進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能降耗。

        3 高壓水泵改造前后的對比

        焦炭塔除焦主要通過除焦器噴嘴進(jìn)行作業(yè)[1],而焦炭塔除焦工作采用的除焦器有穩(wěn)流器,將高壓水的壓力能轉(zhuǎn)化為動能,依靠動能的沖擊力來切除焦炭,原來使用的穩(wěn)流器壓頭損失相對較大,為保證除焦效果,水泵揚程設(shè)計偏高,電機能耗也因此偏高。近幾年來由于新型切焦器的不斷推廣和使用,使除焦器的壓頭損失較原來明顯降低。在使用新型除焦器進(jìn)行除焦的條件下,通過降低水泵揚程進(jìn)行了除焦試驗,在保證高壓水泵出口流量穩(wěn)定的條件下,發(fā)現(xiàn)在揚程降低到3 300 m時,除焦的效率幾乎不受影響,總除焦時間也無明顯增加,因此可以大大降低電力能耗。

        改造前高壓水泵葉輪材質(zhì)為馬氏體不銹鋼,無法有效地抑制氯離子腐蝕,而雙相不銹鋼具有更好的耐氯離子腐蝕和耐孔蝕性能,故將高壓水泵葉輪材質(zhì)升級為雙相不銹鋼。

        根據(jù)現(xiàn)場情況,該次僅對P-302B泵進(jìn)行節(jié)能升級改造,更換了B泵葉輪,一個周期的平均數(shù)據(jù)對比見表1和表2。

        表1 節(jié)能升級改造前A泵能耗計算

        表2 節(jié)能升級改造后B泵能耗計算

        注:因為A和B泵的葉輪水力除焦參數(shù)在改造前一致,所以改造前的數(shù)據(jù)可參考A泵數(shù)據(jù),與改造后的B泵進(jìn)行對比,可以得到可靠性數(shù)據(jù)。

        4 節(jié)能效果分析

        改造后的高壓水泵開機一次性運行成功,各項參數(shù)均達(dá)到要求,能夠保證除焦順利進(jìn)行,且滿足了工藝要求。電機功率計算公式[2]為:

        P=1.732·U·I·cosφ

        式中:P——三相異步電動機對稱三相負(fù)載平均功率,W;

        U——電壓,V;

        I——線電流,A;

        cosφ——功率因素(一般取0.80~0.88,該廠高壓水泵電機功率因素系數(shù)為0.88)。

        該石化企業(yè)焦化裝置焦炭生焦周期主要為18 h和20 h,每年4臺焦炭塔的除焦總數(shù)約為960塔次,依此計算,電費0.67元/度(為2018年價格),通常B泵改造后主要以B泵運行為主,A泵定期切換運行,因此每年節(jié)約電費約為150萬元。

        改造后的高壓水泵故障率也有明顯降低,按照原來運行1年時間發(fā)生1次故障需要搶修的概率計算檢維修費用如下:

        維修費用(動平衡、運輸?shù)荣M用,不包括維修人力費用):人民幣10萬元/年;

        維修備件費用(軸瓦、葉輪和機封等):人民幣80萬元/年;

        綜上所述:改造后的高壓水泵每年節(jié)約費用為:150+10+80=240萬元人民幣。

        5 葉輪材質(zhì)升級效果分析

        高壓水泵2009年4月投產(chǎn)至2014年期間,葉輪連續(xù)發(fā)生5次開裂故障,開裂情況見圖1。

        圖1 泵葉輪腐蝕開裂

        為查清水泵葉輪腐蝕破壞原因,特委托具有專業(yè)資質(zhì)的機構(gòu)進(jìn)行腐蝕分析,主要分析手段為掃描電鏡觀察、輔助晶間腐蝕與腐蝕產(chǎn)物分析。晶相分析結(jié)果見圖2。

        圖2 晶間分析

        通過腐蝕分析,可以得知,葉輪開裂是由于有機硅涂層剝落,葉輪在氯離子的作用下發(fā)生點蝕,點蝕分布在葉輪邊緣處,密度較高。在葉輪的外邊緣處應(yīng)力較大并產(chǎn)生應(yīng)力集中,葉輪在周期性的工作應(yīng)力作用下,發(fā)生了腐蝕疲勞開裂,此腐蝕疲勞開裂為多源的并呈現(xiàn)脆性開裂。

        鑒于腐蝕疲勞為多源且又有分叉,裂紋擴展到一定程度后就發(fā)生葉輪的小塊剝離飛裂,這種剝離飛裂又進(jìn)一步引起了沖擊作用。葉輪的涂層為有機硅涂層,有機硅的涂層覆蓋率達(dá)到35.3%,但是該涂層與葉輪的結(jié)合力較低,在葉輪的工況下發(fā)生剝離現(xiàn)象,最后產(chǎn)生了較多的點腐蝕坑。在這些點腐蝕坑處產(chǎn)生了應(yīng)力集中,同時在周期性的工作應(yīng)力作用下,發(fā)生多源腐蝕開裂,并嚴(yán)重影響使用效果。

        改造前高壓水泵葉輪材質(zhì)為馬氏體不銹鋼(Gx4CrNi13-4+QT1),升級后的材質(zhì)為雙相不銹鋼ASTM A995 Grade 1B(CD4MCuN),化學(xué)成分及材料力學(xué)性能分別見表3和表4。

        表3 馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼化學(xué)成分 w,%

        表4 馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼性能

        由表3可以看出,雙相不銹鋼中C含量低于馬氏體不銹鋼,可以判斷馬氏體不銹鋼的強度、硬度及耐磨性優(yōu)于雙相不銹鋼,但耐蝕性較差。雙相不銹鋼在C含量較低的情況下,Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5%~26.5%,Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.7%~6.0%,在此基礎(chǔ)上還含有Mo,Cu,Si和N等合金元素,保證了雙相不銹鋼具有較高的強度,以及較好的耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕能力。此外,雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能,屬于節(jié)鎳不銹鋼。

        綜合對比,雙相不銹鋼有如下性能特點:

        (1)含Mo的雙相不銹鋼在低應(yīng)力下有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能;

        (2)含Mo的雙相不銹鋼具有良好的耐孔蝕性能;

        (3)具有良好的耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕性能;

        (4)綜合力學(xué)性能好,有較高的強度和疲勞強度,屈服強度是普通奧氏體不銹鋼的2倍;

        (5)可焊性良好,熱裂傾向小,一般焊前無需預(yù)熱,焊后無需熱處理;

        (6)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù),較小的線膨脹系數(shù)。

        改造后的高壓水泵自2014年運行以來,葉輪運行情況良好,在定期檢修過程中,未發(fā)生葉輪腐蝕開裂故障,同時大大提高了高壓水泵運行的穩(wěn)定性,保證了除焦工作的順利進(jìn)行。

        7 結(jié) 語

        通過本次改造高壓水泵得知,在不影響焦化裝置除焦生產(chǎn)的同時,可以大幅度地降低裝置的電耗,經(jīng)過粗略的計算,每年可以節(jié)約至少240萬元。

        又因高壓水泵出口壓力降低,葉輪材質(zhì)的升級改造,有效地抑制了氯離子等腐蝕,均在不同程度降低了操作維護(hù)費用。此外,儲備有充足的高質(zhì)量高壓水泵增速齒輪箱軸承、泵推力瓦軸承和徑向軸承、平衡鼓、三位閥閥桿、閥座和孔板等備件,大大提高了高壓水泵生產(chǎn)運行的可靠性,保障了裝置穩(wěn)定生產(chǎn)。

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