S Zorb裝置閉鎖料斗濾芯折斷原因分析及預(yù)防措施

代立成

摘要：中國石油化工股份有限公司滄州分公司S Zorb裝置閉鎖料斗更換濾芯后，在2017年3月至2018年6月期間多次出現(xiàn)濾芯變形、脫落、斷裂等問題，通過原因排查發(fā)現(xiàn)，不同生產(chǎn)廠家的濾芯雖然過濾精度一致，但是強度和結(jié)構(gòu)形式略有不同。在更換閉鎖料斗濾芯時，需采取濾芯頸部與管板連接部位進行焊接加固，并在濾芯底部增加支架的方式進行加強。

關(guān)鍵詞：S Zorb裝置;閉鎖料斗;濾芯;斷裂

1.SZorb裝置閉鎖料斗過濾器簡介

1.1 S Zorb裝置概況

S Zorb裝置是基于吸附作用原理對汽油進行脫硫，通過吸附劑選擇性地吸附含硫化合物中的硫原子而達到脫硫目的。與傳統(tǒng)的加氫技術(shù)比較，采用該技術(shù)處理催化汽油，不但可以得到超低硫的精制汽油產(chǎn)品，而且辛烷值損失少、氫耗少、液收率高和能耗低。

閉鎖料斗通過氮氣和氫氣吹掃置換實現(xiàn)內(nèi)部不同工況的轉(zhuǎn)換，在吹掃置換過程中通過過濾器保證吸附劑與氣相介質(zhì)不會互竄。濾芯通過絲扣連接安裝在管板內(nèi)，沿著管板中心呈環(huán)形排列。濾芯結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，即整支濾芯由外部濾芯和內(nèi)部保安濾芯組成。

2.閉鎖料斗過濾器濾芯斷裂經(jīng)過及處理

2.1斷裂經(jīng)過

2017年5月1日操作中發(fā)現(xiàn)閉鎖料斗差壓增高導(dǎo)致無法正常泄壓，頂部放空線攜帶有吸附劑。打開閉鎖料斗檢查過濾器發(fā)現(xiàn)大部分濾芯已經(jīng)松動，東南角的一支濾芯脫落，更換原型號1新濾芯一支，并對所有濾芯絲扣與管板連接處進行點焊加固?；謴?fù)運行后2018年04月22日發(fā)現(xiàn)閉鎖料斗頂部放空線再次攜帶吸附劑，打開后發(fā)現(xiàn)東北側(cè)一根濾芯已經(jīng)脫落，其余濾芯未脫落但大部分已經(jīng)能松動。本次將全部濾芯更換為另一型號2濾芯，型號2濾芯絲扣連接處也進行焊接加強處理。5月2日發(fā)現(xiàn)閉鎖料斗頂部放空再次攜帶吸附劑，打開后發(fā)現(xiàn)東北側(cè)一根濾芯從根部焊縫處斷裂，旁邊兩個濾芯有彎曲變形，其中西側(cè)一根彎曲較嚴重，其余濾芯未見明顯損傷。

2.2處理措施

2018年5月2日濾芯斷裂后將全部濾芯重新更換為與斷裂濾芯同型號的型號2的濾芯，絲扣連接處進行焊接，在濾芯尾部增加一圈5*2mm的不銹鋼帶作為拉筋，使濾芯連接成一個整體提高濾芯強度，并在連接筋板內(nèi)部用Φ12*2mm的不銹鋼管制作三角形支撐。

運行至同年10月26日檢修時，開蓋檢查內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)型號2濾芯基本完好，拉筋和三角支撐有向內(nèi)彎曲變形。本次檢修整體更新閉鎖料斗上封頭和型號1的濾芯，對濾芯絲扣連接部位進行點焊加固。

3.閉鎖料斗過濾器濾芯斷裂原因排查

3.1濾芯運行環(huán)境

濾芯正常運行中承受周期變化的溫度和壓力載荷，每周期具體工況為：①氫氣環(huán)境過濾過程，濾芯外部壓力最高2.5MPa，進入物料為油氣+氫氣+吸附劑的兩相混合流體，流體溫度約400℃，進料前濾芯溫度約200℃;②氮氣環(huán)境過濾過程，濾芯外部壓力最高至0.45MPa，向火炬線吹掃氣體。過濾過程持續(xù)約20min后由濾芯管內(nèi)進行氫氣反吹，反吹壓力約3.0MPa，反吹氫氣溫度約200℃，在約1分鐘的時間里，濾芯管內(nèi)部從微正壓、200℃到3.0MPa、300℃變化。

3.2本次型號2濾芯的斷口形貌

本次型號2濾芯斷裂共發(fā)現(xiàn)兩個斷裂位置，一個位于內(nèi)套管距離頂部端蓋約30 mm的位置，分沿環(huán)向分布和沿縱焊縫側(cè)兩部分，斷口附近管材均有較大的塑形變形，斷口宏觀未呈現(xiàn)明顯的塑型特征。另一個斷裂位置位于頂部端蓋與外套管的角焊縫位置的母材側(cè)，斷口沿環(huán)向分布，從外壁看，部分裂紋位于沿熔合線，部分裂紋在母材內(nèi)部，裂紋單一不分叉，未發(fā)現(xiàn)二次裂紋，斷口宏觀未呈現(xiàn)塑性。環(huán)向斷口宏觀上均呈現(xiàn)粉末冶金多孔材料的斷口特征，由此可判斷斷口均位于母材內(nèi)，斷口整體可分為兩個區(qū)域，即無磨蝕區(qū)域和有磨蝕區(qū)域。有磨蝕區(qū)域恰好位于濾芯彎曲的外彎位置，且結(jié)合沉積物形貌，可判斷裂紋最初發(fā)生在外套管的外彎處，起始位置在有磨蝕的斷口區(qū)域的沉積物位置所對應(yīng)的外套管處。

3.3型號2濾芯與上次更換型號1濾芯性能對比

3.3.1進行環(huán)向截面金相對比

分別隨機選取斷裂型號2濾芯和上次彎曲型號1濾芯的兩個環(huán)向截面位置，經(jīng)打磨拋光后，所觀察到的形貌可以看到，相比斷裂型號2濾芯，彎曲型號1濾芯的燒結(jié)頸相對清晰和致密，發(fā)育的較好。

3.3.2進行O型環(huán)壓扁實驗對比

在彎曲型號1濾芯和斷裂型號2濾芯上各自切取一個環(huán)進行壓扁試驗，觀察二者斷裂情況。二者宏觀斷口形貌近似，而從斷口微觀形貌看，兩種濾芯的差異性較大。斷裂型號2濾芯燒結(jié)的均勻度和燒結(jié)頸發(fā)育水平劣于彎曲型號1濾芯。300倍相同視場內(nèi)，發(fā)生斷裂型號2濾芯的斷裂位置相對較少，斷裂位置的滑移線和撕裂棱分布面積較小;彎曲型號1濾芯斷裂位置稍多，斷口主要以滑移后的撕裂棱形式斷開。

3.3.3進行力學(xué)性能測試

沿濾芯軸向各切取瓦片拉伸試樣2個，壓平后在試驗機上進行拉伸性能測試，發(fā)現(xiàn)彎曲型號1濾芯的力學(xué)（屈服強度平均73Mpa，抗拉強度平均111MPa）性能好于發(fā)生斷裂型號2濾芯（屈服強度平均51Mpa，抗拉強度平均79MPa）。

3.4濾芯運行工況分析

濾芯發(fā)生彎曲、脫了、斷裂期間，本套S Zorb裝置原料硫含量在1050ppm左右（日常生產(chǎn)800-900ppm）比較高，再生吸附劑硅酸鋅含量23%左右（正常值10%-15%）也處于較高水平。原料硫含量高裝置脫硫負荷高，需要吸附劑循環(huán)量大;吸附劑硅酸鋅含量高脫硫效果差，會進一步導(dǎo)致吸附劑循環(huán)量增大，吸附劑循環(huán)量大導(dǎo)致閉鎖料斗每次收料量增大，閉鎖料斗內(nèi)料位控制較高。

由于濾芯斷裂前曾經(jīng)出現(xiàn)過脫落，造成部分吸附劑進入氣相管線及濾芯內(nèi)部，雖然經(jīng)現(xiàn)場吹掃，但管道系統(tǒng)難免有部分吸附劑，這將會造成閉鎖料斗收料閥門和放料閥門開關(guān)響應(yīng)慢，料位難以準確控制，進一步導(dǎo)致閉鎖料斗料位增高風險，甚至出現(xiàn)淹沒過濾器濾芯的現(xiàn)象。

4.濾芯斷裂原因分析

由于濾芯均為自由垂吊懸掛結(jié)構(gòu)，而斷裂濾芯及其東西兩側(cè)濾芯發(fā)生了彎曲變形，綜合以上現(xiàn)象，初步判斷三根濾芯在使用過程中承受了異常彎矩。根據(jù)彎曲濾芯外壁顏色差異，判斷彎矩為流體的異常流動所致。在異常載荷作用下，斷裂濾芯承受周期性較大彎矩而斷裂，由于斷口表面磨蝕嚴重，而且為多孔材料，未找到疲勞斷裂的直接證據(jù)，但從設(shè)備的載荷工況，裂紋相對平直且無二次裂紋的宏觀形貌判斷，斷裂濾芯首先因大載荷低周疲勞破壞起裂，隨后發(fā)生過載撕裂。

從發(fā)生斷裂濾芯和彎曲斷裂濾芯的金相、O型環(huán)壓扁斷口形貌看，發(fā)生彎曲的型號1濾芯燒結(jié)質(zhì)量更好，其力學(xué)性能也應(yīng)更優(yōu)，拉伸性能測試結(jié)果也表明發(fā)生彎曲型號1濾芯好于斷裂型號2濾芯，所以在同樣受力的前提下，型號1的一批濾芯在同樣位置只發(fā)生變形或者脫落，而未發(fā)生斷裂。

斷裂發(fā)生期間，原料的硫含量處于高位并且吸附劑的硅酸鋅含量也是高位，兩種情況結(jié)合在一起導(dǎo)致吸附劑增大循環(huán)量才能保證裝置生產(chǎn)，從而導(dǎo)致了閉鎖料斗長期高負荷運轉(zhuǎn)，閉鎖料斗內(nèi)部長期處于高料位運行，并且在程控閥動作不靈敏時會有吸附劑淹沒濾芯的情況發(fā)生，待生劑從高壓進料口進入閉鎖料斗中，并在閉鎖料斗內(nèi)形成流動，如果料位淹沒濾芯，吸附劑就會對濾芯產(chǎn)生沖擊，尤其以進料口處的濾芯受到的沖擊更為嚴重。從本次受損的濾芯位置來看，也是處于進料口一側(cè)。

參考文獻：

[1]張文吉. S Zorb裝置閉鎖料斗常見故障分析及處理[J]. 煉油技術(shù)與工程， 2016， 46（012）：38-41.