高壓空冷設備管束的爆管失效分析

王安寅

摘 要：高壓空冷設備具有溫度高、壓力大、臨氫的特點，是當下加氫裂化裝置中的關鍵設備，但是其使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)管束爆管問題，危害極為突出，對整個裝置具有不可低估的作用。本文針對高壓空冷設備管束爆管現(xiàn)狀、原因等進行了分析，并提出了相應優(yōu)化措施。

關鍵詞：高壓空冷器；空冷設備；管束爆管；失效分析

中圖分類號：TQ051 文獻標志碼：A

0 前言

作為煉油、化工裝置中的關鍵設備，高壓空冷器需要引起足夠重視。一旦空冷設備失效，將會導致整個工藝停運，造成流程全線停運。據(jù)報道，2008年某公司異構(gòu)脫蠟裝置曾經(jīng)發(fā)生空冷管束爆管問題，直接后果是整個工藝流程停產(chǎn)，經(jīng)濟損失無法估計。為了降低上述事件發(fā)生比例，業(yè)內(nèi)專家針對高壓空冷器管束殘骸進行了失效分析，針對其爆管原因進行了深入探討。長期的實踐研究表明，如果管束的管壁過薄，會增加管束爆管概率，近年來，借助計算機技術對管束殘骸進行深入分析后發(fā)現(xiàn)，管束爆管是整個裝置泄露的主要原因，需要引起足夠重視。

1 爆管事故的案例分析

1.1 設計條件

以前文提到的異構(gòu)脫蠟裝置為例進行分析，空冷器設計溫度為250℃、設計壓力為16MPa，管箱采用20#鋼三級鍛件施工，換熱基管采用10#鋼，螺栓為35CrMoA。

1.2 操作條件

以本文案例中的狀況進行分析可以看出，空冷器工藝介質(zhì)為：20000m3/h的氫氣、潤滑油、基礎油（60%）、以及少量石腦油、柴油等；操作壓力為11MPa～12MPa，操作溫度為110℃～120℃。

1.3 總結(jié)分析

高壓空冷器對煉油、化工行業(yè)而言都至關重要，空冷設備故障必然引發(fā)整個運行裝置的問題，極易引起全線停工問題。本文異構(gòu)脫蠟裝置的管束爆管分析可以看出，事故發(fā)生后所有相關裝置不能正常運行，企業(yè)運作難度增加，經(jīng)濟損失嚴重。需要從空冷器的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)腐蝕程度等多層次出發(fā)進行分析，提高整個空冷器的應用效果，方可避免泄露等問題帶來的重大負面影響，具體分析如下。

2 事故空冷管束的結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合當代分析軟件、信息技術，研究空冷結(jié)構(gòu)方面需要關注流暢型角度的影響，并及時得出相關結(jié)論。其中鈦管分析研究表明，作為工業(yè)級的純鈦材料，其中含有一部分鐵、鋁等雜質(zhì)。鈦金屬中含有微量固溶態(tài)的鐵元素，但是不會對鈦的吸氫產(chǎn)生過大影響，同時鈦金屬表明鐵含量較高，一定程度上會增加鈦金屬對氫的吸附，進而降低鈦金屬表明的保護層厚度，對鈦金屬中氫含量的增加會產(chǎn)生過大影響，易引發(fā)氫脆等問題。

首先，高壓空冷設備中，一般管束的進口位置會采用鈦金屬進行內(nèi)襯處理，多數(shù)為工業(yè)級別的純鈦，當外界達到150℃、高壓影響下，氫氣會快速沖刷金屬表面，進而降低了腐蝕作用，此時內(nèi)襯鈦會最先發(fā)生腐蝕作用，進而容易產(chǎn)生破損問題。以上述案例為主進行分析，管束爆管發(fā)生未知在空冷器第一管程進口端周邊。產(chǎn)生嚴重開裂的區(qū)域主要是在管束入口內(nèi)襯管尾部位置，經(jīng)測量，開裂區(qū)域與內(nèi)襯管尾部相距28mm，其開口方向向下。后續(xù)對事故管束檢查發(fā)現(xiàn)，管束內(nèi)壁位置厚度具有一定的變化，其正下方厚度明顯變薄。管束事故爆裂部位的內(nèi)表面受介質(zhì)沖刷作用的影響，一般多為光滑平整的狀態(tài)，不會產(chǎn)生嚴重的污垢沉積作用。我們對第一管程的其他部位進行檢測時發(fā)現(xiàn)，對管束襯管尾部核查后，在管束的襯管尾部具有較為明顯的管壁變薄問題，但是需要引起注意的是在距離爆管較遠的位置，管壁薄厚一般較為均勻。

其次，在對事故殘骸進行分析比對后發(fā)現(xiàn)，一般空冷設備是常年連續(xù)使用，長期使用會引發(fā)管壁厚度不均的問題，使用一段時期后需要及時進行核查，避免后續(xù)爆管事故的發(fā)生。從空冷器結(jié)構(gòu)出發(fā)進行爆管失效分析，問題主要包括下述幾點：管束入管口位置具有強烈的渦流區(qū)，會對管束入口產(chǎn)生影響，如形成剪切沖刷流動渦流區(qū)，這種渦流流動影響會導致管束的管壁受到極為嚴重的外界沖擊作用力，一定程度上增加了管壁腐蝕速度；此外，渦流速度作為一個矢量，其方向平行于管箱，進而會形成剪切沖刷作用，導致管束入口、管板膨脹連接位置產(chǎn)生剪切腐蝕作用。

再者，針對管束內(nèi)部流體進行有限元分析后表面，管束內(nèi)部介質(zhì)一般在入口處具有較大的切應力，屬于受腐蝕嚴重的位置，外界沖刷作用的影響極為突出。但是鈦管內(nèi)襯方面的切應力也不容忽視，過大切應力會產(chǎn)生一定作用，一般與鈦管尾部10cm位置的受力值最大，切力作用強的區(qū)域具有較為明顯的腐蝕作用，這一原因會增加鈦管管束區(qū)管壁磨損狀況，導致其極易變薄。此外，對于該位置進行處理中，還需要考慮其水相分率的影響，水相比例越高，電化學腐蝕越明顯，這是導致內(nèi)部襯管腐蝕速度增加的主要原因。從工藝運行角度出發(fā)，鈦管內(nèi)襯、翅片連接位置屬于負壓明顯的位置，對渦流的形成具有一定影響，也是受損嚴重的區(qū)域之一。業(yè)內(nèi)學者為了充分考慮空冷器管束尾部腐蝕、沖刷問題，針對爆管段管道突然變化等引發(fā)的腐蝕進行了計算機模擬，力求從理論模擬計算出發(fā)進行分析。

3 爆管原因及應對措施分析

3.1 爆管主要原因

對于空冷設備而言，爆管最為核心的原因是管束腐蝕問題，鈦管在外界化學腐蝕作用下，可能產(chǎn)生嚴重的腐蝕問題，進而會引發(fā)鈦管管壁厚度減小，引起使用性能下降，可能會導致相關設備無法滿足行業(yè)最低使用要求，此時爆管概率大幅增加。如果鈦材料中溫度變化快、雜質(zhì)比例增加，一定程度上也會增加鈦管腐蝕速率。此外，高溫狀況下，會導致鈦管抗腐蝕性能下降，但是管束材料如果是碳鋼材質(zhì)，一般可滿足高壓空冷設備的要求。結(jié)合業(yè)內(nèi)相關案例、模擬試驗段等分析可以看出，異構(gòu)脫蠟高壓裝置中，其管束發(fā)生爆管起因是由于空冷器入口位置受介質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響，渦流現(xiàn)象突出，該位置具有介質(zhì)流速大、流動形式復雜的特點，同時管束襯管位置處，尾端具有明顯的擴徑現(xiàn)象，也會對管束內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷、腐蝕作用，這是引發(fā)管壁變薄的最終原因，也是產(chǎn)生爆管事故的主要原因。

3.2 應對措施分析

可對空冷器第一管程進行材料方面的優(yōu)化，復合管具有較好的應用效果，即空冷器管束的基管材料、形式等不發(fā)生變化，借助復合316L襯管進行處理，塑性變性后保證其與基管良好貼合，可確保管內(nèi)介質(zhì)流動過程更加穩(wěn)定，避免管內(nèi)局部渦流過于嚴重的現(xiàn)象發(fā)生；此外，可采用管束通長復合管材料，這種方法可以降低擴徑問題，降低外界腐蝕的危害。再者，SEI專利技術較為合理，從空冷器制造、加工、設計的角度出發(fā)，可在空冷器管箱的入口區(qū)域設置一個具有分配孔板的結(jié)構(gòu)，這種篩孔可降低渦流現(xiàn)象發(fā)生概率，可避免渦流對管束內(nèi)壁的沖擊作用，并降低管束入口、管板脹接位置的腐蝕影響。所有相關措施中需要加強檢測手段的應用，包括超聲波、渦流探傷和有色檢查等，并根據(jù)空冷器運行年限等進行設備沖刷腐蝕方面的管理，一旦管壁厚度過小，低于下限狀況，需要及時地進行管束更新，避免爆管事故的發(fā)生，這一舉措具有顯著積極的影響，可避免后期事故發(fā)生帶來的重大經(jīng)濟損失問題。

結(jié)語

綜上所述，高壓空冷器是加氫裂化裝置中的關鍵設備，一旦設備出現(xiàn)保管問題，將會對整個工藝流程產(chǎn)生嚴重危害。實踐經(jīng)驗表明管束爆管將會引發(fā)嚴重的停運停產(chǎn)問題，經(jīng)濟損失突出。為此，需要根據(jù)高壓空冷設備管束爆管原因、現(xiàn)象等進行分析，并根據(jù)現(xiàn)場狀況、模擬實驗等進行策略探討。這對空冷設備的運行維護具有極大的幫助，是維持加氫裂化裝置穩(wěn)定性、合理性的重要保障。此外需要引起重視的是，必須加強對換熱管、空冷結(jié)構(gòu)的定期檢測和管理，從運行維護角度出發(fā)降低后期事故發(fā)生概率。

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