淺談丙烷制氫裝置核心設(shè)備-產(chǎn)品分離塔的定期檢驗(yàn)策略

張 楠，康麗霞

(天津渤?；ぜ瘓F(tuán)化工設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心站，天津 300171)

天津渤?；ぜ瘓F(tuán)化工設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)中心站在接受檢驗(yàn)委托后，積極主動(dòng)與天津渤化石化有限公司聯(lián)系，多次深入現(xiàn)場(chǎng)與公司工藝、設(shè)備技術(shù)人員進(jìn)行探討，首先了解裝置工藝流程、分離塔的特點(diǎn)及設(shè)備投入生產(chǎn)后的使用情況等方面，為進(jìn)一步制定合理有效的檢驗(yàn)方案提供技術(shù)上的支持。丙烷脫氫年產(chǎn)60萬(wàn)t丙烯裝置是目前國(guó)內(nèi)首套、世界單套生產(chǎn)規(guī)模最大的丙烯生產(chǎn)裝置。產(chǎn)品分離塔是丙烷制丙烯項(xiàng)目最核心的設(shè)備，也是當(dāng)前該裝置中亞洲單體體積最大的塔器設(shè)備。該設(shè)備于2013年12月投入使用，由于產(chǎn)品分離塔是投入生產(chǎn)后的首次檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的運(yùn)行，在使用中可能產(chǎn)生的各種缺陷及在制造和安裝過(guò)程中存在的隱藏缺陷也逐漸暴露，有可能發(fā)生事故。為此必須進(jìn)行定期檢驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)一步消除缺陷，恢復(fù)設(shè)備的各項(xiàng)性能，保證其安全運(yùn)行。

1-吊柱，2-氣體出口，3-回流液入口，4-塔盤(pán)，5-殼體，6-進(jìn)料入口，7-人孔-8-氣體入口，9-裙座，10-釜液出口，11-出入口，12-地腳螺栓，13-筋板，14-基礎(chǔ)環(huán)

圖1 產(chǎn)品分離塔示意圖

1 分離塔簡(jiǎn)介

1.1 工藝流程

產(chǎn)品分離塔將進(jìn)料分離成聚合級(jí)丙烯餾出產(chǎn)品和以丙烷為主的塔底產(chǎn)品。脫硫后脫乙烷塔塔底液體是1號(hào)分離塔的唯一進(jìn)料，從第45層塔盤(pán)引入。1號(hào)分離塔包含135層塔盤(pán)，2號(hào)分離塔包含155層塔盤(pán)。此分離塔系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來(lái)生產(chǎn)99.6 mol%的丙烯產(chǎn)品。塔額操作壓力為2.09 MPa，用空冷器冷凝產(chǎn)品，另外還包括用冷卻水冷卻的補(bǔ)充冷凝器，用來(lái)在高環(huán)境溫度條件下的輔助冷凝。分離塔再沸器負(fù)荷由多個(gè)熱源來(lái)滿足。在冬季，環(huán)境溫度足夠低時(shí)，可允許產(chǎn)品分離塔在減低壓力1.68 MPa下操作 。產(chǎn)品分離塔塔底餾出物，經(jīng)循環(huán)冷卻器回到反應(yīng)單元。

1.2 介質(zhì)特性

丙烷無(wú)色氣體，純品無(wú)臭。熔點(diǎn)：-187.6℃，沸點(diǎn)：-42.1℃，閃點(diǎn)：-104℃，長(zhǎng)期接觸可引起頭昏、乏力、全身不適、思維不集中。

丙烯常溫下為無(wú)色有烴類(lèi)氣味的氣體。熔點(diǎn)：-191.2℃，沸點(diǎn)-47.4℃，閃點(diǎn)-108℃，爆炸極限：2%～11%。易燃?xì)怏w，與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸。與氧化劑接觸能發(fā)生猛烈反應(yīng)。

1.3 基本參數(shù)

見(jiàn)表1。

表1 基本參數(shù)

2 產(chǎn)品分離塔操作工況

2.1 硫含量的技術(shù)要求

2.1.1 進(jìn)料硫含量要求

表2 進(jìn)料硫含量要求

2.1.2 產(chǎn)品硫含量要求

表 3 產(chǎn)品硫含量要求

2.2 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中分離塔檢測(cè)結(jié)果

表4 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中分離塔檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)硫含量的分析，排除硫裂的可能。

3 產(chǎn)品分離塔失效模式分析

塔器的失效一般是由多種因素綜合作用而引起的，其中三個(gè)主要因素是設(shè)計(jì)不合理、操作不正確以及在關(guān)鍵部位存在缺陷 。塔器在制造和使用過(guò)程中，由于焊接工藝、壓力加工 、熱處理 、機(jī)械加工、應(yīng)力水平、腐蝕和高溫環(huán)境等原因，將不可避免地產(chǎn)生各種缺陷，且隨著設(shè)備大型化和高強(qiáng)鋼的使用，產(chǎn)生缺陷的可能性隨之增加，造成的后果將更為嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品分離塔的操作工況等的分析，本設(shè)備使用中可能面臨的主要失效模式及危害如表5。

表5 產(chǎn)品分離塔失效模式、可能原因及危害

4 產(chǎn)品分離塔達(dá)到開(kāi)罐檢驗(yàn)處理物料存在的安全隱患、環(huán)保問(wèn)題及影響開(kāi)工天數(shù)

(1)進(jìn)行物料處理達(dá)到開(kāi)罐檢驗(yàn)存在的安全隱患，存在同行業(yè)該裝置的事故案例。

1)火災(zāi)隱患：由于該系統(tǒng)容積約為18000 m3，完全置換合格難度較大，尤其是一些長(zhǎng)期不流動(dòng)的管線和部位，窩存氣相物料甚至液相物料的可能性很大，即使氮?dú)庵脫Q取樣合格，但過(guò)一段時(shí)間，窩存的物料擴(kuò)散很可能會(huì)重新污染系統(tǒng)，造成安全隱患。

2)窒息隱患：系統(tǒng)進(jìn)人檢查前要用空氣置換氮?dú)?，如上所述，系統(tǒng)較大，一些管線或部位很難完全置換合格，有一定的窒息風(fēng)險(xiǎn)。

(2)進(jìn)行物料處理達(dá)到開(kāi)罐檢驗(yàn)存在的環(huán)保問(wèn)題。

經(jīng)測(cè)算，該系統(tǒng)(包含2臺(tái)產(chǎn)品分離塔、2臺(tái)表冷器、1臺(tái)產(chǎn)品回流罐)容積約為18000 m3，在系統(tǒng)處理到氣相回收步驟時(shí)，無(wú)法將該系統(tǒng)內(nèi)所有物料完全回收，按照系統(tǒng)殘留0.2 MPaG壓力，那么該系統(tǒng)將會(huì)殘留約36000 Nm3的可燃?xì)怏w，這些殘存的可燃?xì)怏w將會(huì)排至火炬，造成環(huán)保壓力。

(3)進(jìn)行物料處理達(dá)到開(kāi)罐檢驗(yàn)條件影響開(kāi)工時(shí)間的具體天數(shù)。經(jīng)測(cè)算，該系統(tǒng)(包含2臺(tái)產(chǎn)品分離塔、2臺(tái)表冷器、1臺(tái)產(chǎn)品回流罐)處理準(zhǔn)備時(shí)間+處理時(shí)間+檢驗(yàn)時(shí)間+檢驗(yàn)后恢復(fù)時(shí)間總共約為35天；而此工作外整個(gè)裝置處理+檢修預(yù)計(jì)需要25天，預(yù)計(jì)開(kāi)罐檢驗(yàn)影響開(kāi)工時(shí)間為10天左右。

5 分離塔檢驗(yàn)檢測(cè)的實(shí)施

因生產(chǎn)原因，無(wú)法達(dá)到停車(chē)檢驗(yàn)的要求，前期，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品分離塔的工藝條件、使用參數(shù)、介質(zhì)特性、使用工況及失效模式的綜合分析，檢驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)多番論證，就分離塔的定期檢驗(yàn)，制定了切實(shí)可行的檢驗(yàn)方案。

5.1 使用單位準(zhǔn)備工作

1)拆除影響檢驗(yàn)的附屬部件或其它物體。

2)提供外部用220V電源，應(yīng)有漏電保護(hù)裝置。

3)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)潔凈，不應(yīng)有影響檢驗(yàn)的各種雜物。檢驗(yàn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)及周?chē)粦?yīng)有威脅到檢驗(yàn)人員人身安全的不安全因素。

4)檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)有專(zhuān)人監(jiān)護(hù)，并且有可靠的聯(lián)絡(luò)措施。

5)使用單位壓力容器管理人員和相關(guān)人員到場(chǎng)配合，協(xié)助檢驗(yàn)工作，負(fù)責(zé)安全監(jiān)護(hù)。

5.2 檢驗(yàn)內(nèi)容

5.2.1 宏觀檢查

目的是檢查設(shè)備內(nèi)外表面的宏觀缺陷及結(jié)構(gòu)變化情況，目測(cè)檢查設(shè)備表面狀況，包括以下內(nèi)容：

5.2.1.1 結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)

封頭型式、封頭與筒體的連接、開(kāi)孔位置及補(bǔ)強(qiáng)、縱(環(huán))焊縫的布置及型式、支承或者支座的型式與布置、排放(疏水、排污)裝置的設(shè)置等。

5.2.1.2 幾何尺寸檢驗(yàn)

包括筒體同一截面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差，縱(環(huán))焊縫對(duì)口錯(cuò)邊量、棱角度、咬邊、焊縫余高等；

5.2.1.3 外觀檢驗(yàn)

包括銘牌和標(biāo)志，壓力容器內(nèi)外表面的腐蝕，主要受壓元件及其焊縫裂紋、泄漏、鼓包、變形、機(jī)械接觸損傷、過(guò)熱，工卡具焊跡、電弧灼傷，支承、支座或者基礎(chǔ)的下沉、傾斜、開(kāi)裂，直立容器的鉛錘度，排放(疏水、排污)裝置和泄漏信號(hào)指示孔的堵塞、腐蝕、沉積物，密封緊固件及地腳螺栓完好情況等。

表6 產(chǎn)品分離塔標(biāo)高測(cè)量表

5.2.2 隔熱層檢驗(yàn)

隔熱層的破損、脫落、潮濕，有隔熱層下壓力容器殼體腐蝕傾向或者產(chǎn)生裂紋可能性的應(yīng)當(dāng)拆除隔熱層進(jìn)一步檢驗(yàn)。

5.2.3 壁厚測(cè)定

①壁厚測(cè)定，一般采用超聲測(cè)厚方法，用超聲波測(cè)厚儀很好的發(fā)現(xiàn)是否有壁厚減薄問(wèn)題。此次檢驗(yàn)難點(diǎn)出現(xiàn)在如何拆除隔熱層，對(duì)于如此大的容器，如果大面積的拆除隔熱層，勢(shì)必給使用單位恢復(fù)隔熱層在人力物力財(cái)力上帶來(lái)很大的浪費(fèi)。在如何拆除隔熱的問(wèn)題上，中心站巧妙運(yùn)用金屬開(kāi)孔器，只在需測(cè)厚部位采用開(kāi)孔器開(kāi)孔，取出后的隔熱層在測(cè)厚完畢進(jìn)行回填。

②當(dāng)發(fā)現(xiàn)母材有夾層時(shí)，應(yīng)在其附近增加測(cè)厚點(diǎn)，擴(kuò)大檢測(cè)面積，必要時(shí)用超聲波探傷儀查明夾層的分布情況和面積大小，以及與母材的傾斜度。必要時(shí)進(jìn)行壁厚校核。

5.2.4 表面無(wú)損檢測(cè)

使用期間定期無(wú)損檢測(cè)的目的則是為了發(fā)現(xiàn)使用過(guò)程中有無(wú)新生缺陷產(chǎn)生，及時(shí)提醒用戶對(duì)其進(jìn)行維修，以確保生產(chǎn)設(shè)備和人員的安全。塔器中大部分制造缺陷都是由焊接產(chǎn)生的，焊接接頭質(zhì)量的好壞直接影響結(jié)構(gòu)的可靠性。焊接缺陷對(duì)設(shè)備的影響，主要是在缺陷周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)使原缺陷不斷擴(kuò)展，直至破裂；同時(shí)，焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度、脆性斷裂以及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂都有重大影響。隨著裝置大型化和介質(zhì)復(fù)雜化，塔器的安全性和整體可靠性問(wèn)題日益突出，對(duì)無(wú)損檢測(cè)的要求也越來(lái)越高。

①經(jīng)其他檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)的可疑部位。

②對(duì)所有角焊縫優(yōu)先采用磁粉檢測(cè)，當(dāng)磁粉檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行時(shí)，用滲透檢測(cè)代替。

③因無(wú)法對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)，因此在本次檢驗(yàn)中采用NB/T47013中的聲發(fā)射方法對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)。

因我站不具備聲發(fā)射檢測(cè)資質(zhì)，據(jù)我站《檢驗(yàn)檢測(cè)分包項(xiàng)目管理程序》，對(duì)聲發(fā)射項(xiàng)目進(jìn)行分包，首先取得了天津渤化有限公司的書(shū)面同意，經(jīng)過(guò)對(duì)分包方的評(píng)審，確定由中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院承擔(dān)聲發(fā)射的檢測(cè)。委托中國(guó)特檢院采用“聲發(fā)射”等國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的檢驗(yàn)技術(shù)完成了兩座高94.5 m、內(nèi)徑9.7 m、容積達(dá)6188 m3，是亞洲單體容積最大塔式設(shè)備的產(chǎn)品分離塔的在線檢驗(yàn)，引用中國(guó)特檢院在《中國(guó)特種設(shè)備安全》發(fā)表文章中的一句話(實(shí)現(xiàn)了大型塔式設(shè)備在線檢驗(yàn)技術(shù)的嘗試和應(yīng)用)評(píng)價(jià)中心站制定的檢驗(yàn)檢測(cè)方案和實(shí)施策略是巧妙的、科學(xué)的、先進(jìn)的。

圖2 探頭布置外圍圖

針對(duì)該設(shè)備高度特別高、直徑特別大的特點(diǎn)，并考慮強(qiáng)海風(fēng)等惡劣環(huán)境條件，經(jīng)與使用單位共同磋商，將多臺(tái)聲發(fā)射儀進(jìn)行組合應(yīng)用，進(jìn)行復(fù)雜的探頭布置(圖2)，并就局部拆除、恢復(fù)保溫層進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)，制定了一套安全、科學(xué)、有效的施工作業(yè)檢測(cè)方案。

根據(jù)產(chǎn)品分離塔外圍平臺(tái)布置傳感器，由于平臺(tái)長(zhǎng)短不一，傳感器布置一共15層，傳感器最大間距為5 m，工46個(gè)探頭。

對(duì)此分離塔進(jìn)行的聲發(fā)射檢測(cè)是通過(guò)對(duì)熱交換器注入蒸汽提高塔內(nèi)溫度，進(jìn)而對(duì)塔內(nèi)進(jìn)行升壓的，從1.6 MPa開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，最大試驗(yàn)壓力1.85 MPa。二次保壓壓力為1.8 MPa。

本次聲發(fā)射檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)3個(gè)有意義信號(hào)源，全部在第一次保壓階段，如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射檢測(cè)布點(diǎn)示意圖

5.2.5 埋藏缺陷檢測(cè)

目的是檢查設(shè)備本體是否存在內(nèi)部超標(biāo)缺陷，以及判斷表面無(wú)損發(fā)現(xiàn)裂紋的缺陷深度。

采用常規(guī)數(shù)字式超聲波探傷儀檢測(cè)以下部位：

①M(fèi)36地腳螺栓清洗后，采用超聲波(UT)探傷，檢驗(yàn)其損傷和裂紋情況，重點(diǎn)檢驗(yàn)螺紋及過(guò)度部位有無(wú)環(huán)向裂紋。

②對(duì)其他檢測(cè)方法有懷疑的部位。

5.2.6 安全附件檢驗(yàn)

目的是檢查分離塔安全附件是否在校驗(yàn)周期之內(nèi)。

①檢查安全閥標(biāo)牌及檢定證書(shū)，檢查安全閥是否在校驗(yàn)周期之內(nèi)；

②檢查壓力表標(biāo)識(shí)及檢定證書(shū)，檢查壓力表是否在校驗(yàn)周期之內(nèi)；

③綜合分析與評(píng)價(jià)，出具報(bào)告

6 設(shè)備運(yùn)行中有效的監(jiān)控與應(yīng)急管理措施

(1)產(chǎn)品分離塔系統(tǒng)(包含2臺(tái)產(chǎn)品分離塔、2臺(tái)表冷器、1臺(tái)產(chǎn)品回流罐)配有空氣冷卻器、另外還配有循環(huán)水冷卻器，能夠保證該系統(tǒng)在極端氣溫或同等情況下系統(tǒng)不超壓；

(2)該系統(tǒng)配有安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS)，一旦該系統(tǒng)異常超壓，裝置會(huì)自動(dòng)停止進(jìn)料(裝置停車(chē))；

(3)該系統(tǒng)還配有安全閥(產(chǎn)品分離塔、表冷器、產(chǎn)品回流罐)，一旦超壓，系統(tǒng)將緊急卸放壓力；

(4)該系統(tǒng)周?chē)溆腥舾煽扇細(xì)怏w報(bào)警儀，一旦發(fā)生泄漏，內(nèi)操將在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。

7 不開(kāi)罐進(jìn)行全面檢驗(yàn)的綜合經(jīng)濟(jì)分析

7.1 耗電費(fèi)用

1)GA-1101(液相處理)，功率為110kW，預(yù)計(jì)使用時(shí)間為2天；

2)GA-1502(液相處理),功率為90kW，預(yù)計(jì)使用時(shí)間為2天；

3)GA-1906(液相回填)，功率為90kW，預(yù)計(jì)使用時(shí)間為2天；

4)C-1901A/B(氣相回收)，功率為50kW*2，預(yù)計(jì)使用時(shí)間為3天；

電費(fèi)單價(jià)按0.78元/kWh計(jì)。

電費(fèi)總價(jià)約為(110*48+90*48+90*48+50*2*72)*0.78=16473.6元。

7.2 氮?dú)赓M(fèi)用

按照氮?dú)庵脫Q6000Nm3/h，整個(gè)過(guò)程預(yù)計(jì)為10天，氮?dú)鈫蝺r(jià)為0.44元/Nm3，那么氮?dú)赓M(fèi)用為6000*10*24*0.44=633600元，若上游提供氮?dú)鈫挝皇褂煤髠涞?液氮?dú)饣?，那么氮?dú)鈫蝺r(jià)將由0.44元/Nm3漲至1.08元/Nm3，氮?dú)饪傎M(fèi)用將會(huì)更高。

7.3 物料浪費(fèi)

該系統(tǒng)容積為18000 m3，如果按照系統(tǒng)可燃?xì)?主要為丙烷、丙烯)0.2MPaG排火炬算，按照500Nm3可燃?xì)鉃?t算，那么系統(tǒng)排至火炬的物料液位36000/500=72 t，若按照物料單價(jià)5000元/t，那么物料浪費(fèi)為72*5000=360000元；以上為產(chǎn)品分離塔系統(tǒng)檢驗(yàn)直接的經(jīng)濟(jì)評(píng)估，總費(fèi)用至少約為1010073.6元。

另外，裝置區(qū)每天利息折舊在100萬(wàn)以上，因此若按照預(yù)計(jì)開(kāi)罐檢驗(yàn)條件影響開(kāi)工時(shí)間為10天左右。那么此項(xiàng)費(fèi)用將上千萬(wàn)。

通過(guò)以上分析，此項(xiàng)工作在解決企業(yè)物料處理中的安全、環(huán)保難題下，綜合經(jīng)濟(jì)效益在2000萬(wàn)元以上。

天津渤?；ぜ瘓F(tuán)化工設(shè)備檢驗(yàn)測(cè)中心站與多方協(xié)作、群策群力，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品分離塔在不停車(chē)條件下的檢驗(yàn)檢測(cè)。此項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了中心站檢驗(yàn)檢測(cè)綜合能力的突破，得到了集團(tuán)主管領(lǐng)導(dǎo)、同行業(yè)專(zhuān)家和天津渤化石化有限公司的一致好評(píng)，從而鼓舞了士氣、提振了信心、鍛煉了隊(duì)伍。

[1]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 30579-2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[2]路秀林,王者相. 塔設(shè)備[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3]劉志軍,喻健良,李志義. 過(guò)程機(jī)械[M]. 北京:中國(guó)石化出版社,2002.

[4]王志文.化工容器設(shè)計(jì)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.