煉油裝置典型設備故障分析

鄧 斌，任 剛，王建軍

(1.中國石油化工股份有限公司長嶺分公司，湖南 岳陽 414012；2. 中國石油化工集團有限公司，北京 100728)

近年來，我國煉油裝置長周期運行水平不斷提高，實現(xiàn)“四年一修”的煉油裝置占到了65%左右，部分企業(yè)已經(jīng)開始向“五年一修”邁進。隨著煉化企業(yè)設備完整性管理體系的建設，設備管理更加體系化、系統(tǒng)化和信息化，設備管理已從傳統(tǒng)的經(jīng)驗管理向科學管理轉變，預防性維修策略的全面實施，以可靠性為基礎的維修方法，極大減少了設備突發(fā)事故的發(fā)生，導致裝置非計劃停工或局部停工的設備事故大幅度減少【1】。2019～2021年某大型石化集團公司11大類500余套煉油主體裝置，3年內共發(fā)生影響生產(chǎn)的設備故障166起，與前一個3年相比降低比例超過43%，裝置可靠度指數(shù)達到了97.22%。本文針對這166起設備故障進行分析，找出規(guī)律，提出了進一步提升設備運行可靠度和減少裝置故障率的建議【2-4】。

1 故障時間分布

1.1 年度分布

從近3年發(fā)生設備故障的次數(shù)看，每年故障次數(shù)總體保持平穩(wěn)，但是引起裝置非計劃停工的次數(shù)，2019年明顯高于后兩年，這主要與近兩年煉油企業(yè)全面推行設備完整性管理體系、完善設備預防性維修和定時性工作，以及推廣渦流掃查和定力矩緊固等新技術后，設備可靠性得到提升有關。此外，還與裝置運行周期有關。2019年停工大修的裝置有186套，2020和2021年分別為244和223套，這是因為2019年處于裝置運行周期末期的裝置較多，裝置抗運行波動能力下降，而同等強度的設備故障在運行末期更容易引起裝置非計劃停工。

三年故障的分布見表1。

表1 故障的年度分布

1.2 季度分布

故障數(shù)量和動、靜、電氣、儀控設備故障類別的季度分布如圖1所示。從圖1可以看出：一、四季度故障次數(shù)67起，明顯少于二、三季度的99起。進一步分析發(fā)現(xiàn)，二、三季度故障數(shù)量較多與電氣、儀表及動設備專業(yè)故障高發(fā)有關。夏秋季節(jié)洪汛、雷電導致儀表和電氣故障增多，如雷擊、大風引起的架空高壓電線路故障引起的短路、跳閘，大雨導致的儀表電磁閥防水問題、接線盒進水、伺服閥故障等；夏季高溫導致動設備專業(yè)出現(xiàn)機組油泵上量和泄漏故障等。這些都是導致二、三季度故障增多的原因。

圖1 故障數(shù)量和專業(yè)的季度分布

2 故障設備類型分布

發(fā)生故障的設備類型按占比大小排序為靜設備、動設備、電氣、儀表，其中靜設備占比46.4%，動設備占比31.3%，電氣占比12.7%，儀表占比9.6%。從3年各專業(yè)占比變化情況看，靜設備故障2021年大幅度增加，動設備2020年最高，2019年電氣專業(yè)故障最高，儀控設備3年基本持平。故障專業(yè)及設備種類分析如圖2所示。

圖2 故障專業(yè)及設備種類分析

2.1 靜設備故障

從靜設備故障分析看， 主要是腐蝕穿孔或焊縫開裂、砂眼等。靜設備故障中，腐蝕原因占比近1/3, 其次是檢維修、 安裝質量、 制造質量?？上驳氖?， 近年來隨著法蘭螺栓定力矩緊固技術的大面積應用， 靜密封泄漏故障已大幅度減少， 與前一個3年相比， 法蘭靜密封泄漏故障下降超過95%， 帶壓堵漏作業(yè)在企業(yè)已經(jīng)較少進行。

從年度分布看，2021年靜設備故障明顯高于其他年份，故障主要集中于工藝管線，3年中工藝管線故障共32起，其中2019年8起、2020年9起、2021年15起 ，對其進行進一步分析發(fā)現(xiàn)， 2021年15起故障中有9起是垢下腐蝕和低點積液腐蝕引起的，與2019年工藝管線故障多為沖刷腐蝕明顯不同。分析認為，2021年工藝管線故障多的原因主要是受疫情影響，由于2020年有118套裝置有較長時間的停工待料，同時運行裝置也處于超低負荷狀態(tài)，管線內介質流速下降，沉積加劇，部分狹窄溝槽部分出現(xiàn)腐蝕元素濃縮聚集的現(xiàn)象，導致一年后管線故障增加。2021年共24家企業(yè)使用渦流技術掃查管件47795個，發(fā)現(xiàn)減薄20%～30%部件1975個、減薄30%～40%部件1066個、減薄40%以上部件1290個，發(fā)現(xiàn)大量腐蝕隱患。

2.2 動設備故障

分析動設備故障原因，“不當操作”占比最高，其次是檢維修、設計、制造質量和結垢。綜合3年的情況來看，動設備故障在2020年異常突出，并且高于了靜設備故障。分析發(fā)現(xiàn)，2020年動設備故障中，大機組故障增多，尤其是軸流壓縮機和煙機尤為明顯，2020年軸流壓縮機7起故障中有3起為葉片斷裂事故，大大高于其他年份；煙機8起故障中3起為煙機葉片斷裂事故。

進一步分析，2020年受疫情影響，市場需求低迷，各煉油企業(yè)大幅降低加工量，大部分裝置維持最低負荷運行，催化裂化裝置主風機負荷相當一部分處于最低負荷“卡邊”狀態(tài)，靜葉角度關至最小，部分機組甚至出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象。低轉速條件下，軸流風機葉片自振頻率與激振頻率避開裕度不足，葉片出現(xiàn)了共振，是導致葉片斷裂的主要原因。從后期大檢修檢查也發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)生斷裂的多臺機組，動葉片也大面積出現(xiàn)了微裂紋的典型問題。此外，2020年還發(fā)生了因壓縮機平衡管與本體焊縫泄漏導致停工的故障，后組織企業(yè)進行排查，共排查379條壓縮機平衡管，檢測焊口2461道，發(fā)現(xiàn)問題焊口184道。2021年未發(fā)生同類故障。

靜、動設備故障原因分析如圖3所示。

圖3 靜、動設備故障原因分析

3 故障原因分析

3.1 原因分布

故障數(shù)據(jù)分析按照設備全過程管理環(huán)節(jié)，即設計缺陷、制造質量、安裝質量、不當操作、檢維修質量，以及出現(xiàn)問題較多的腐蝕和電網(wǎng)波動等7類原因進行了歸類統(tǒng)計。按故障次數(shù)由多到少排序依次是檢維修質量30次、不當操作30次、腐蝕27次、制造質量26次，此外還有設計缺陷13次、安裝質量13次以及電網(wǎng)問題9次?？梢钥闯?，檢維修質量和不當操作是引發(fā)設備故障的兩大主要原因。近3年主要故障原因分析如圖4所示。

圖4 近3年主要故障原因分析

3.2 檢維修質量

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，勞動力市場價格不斷提高，石化檢維修隊伍由于其獨特的勞動環(huán)境和工資待遇問題，優(yōu)秀的檢維修工人不斷流失，同時高素質工人很難招入，檢維修工人民工化趨勢加劇，尤其是大檢修期間，這一問題更加突出。因此檢維修質量不斷出現(xiàn)的問題，難以滿足煉化企業(yè)發(fā)展的需求，部分企業(yè)因檢維修質量導致的故障已成為引發(fā)設備事故的主因。

3.3 不當操作

煉化企業(yè)實施現(xiàn)代化企業(yè)改制后，尤其是生產(chǎn)裝置DCS的普及應用，使得傳統(tǒng)的司泵工、司爐工、大機組操作工統(tǒng)統(tǒng)被外操取代。隨著裝置自動化運行水平的不斷提高，操作人員負責的區(qū)域和設備種類大大增加，而“四懂三會”水平下降，因此操作人員在異常工況條件的應急能力嚴重不足，從部分事故的原因分析來看，由于應急不當，小波動變成大事故現(xiàn)象時有發(fā)生。2020年因大多數(shù)企業(yè)處于超低負荷運行，操作難度增加，導致的操作問題比較突出。

4 裝置故障分布

主要裝置3年內發(fā)生設備故障數(shù)量的分布情況如圖5所示。

圖5 故障裝置分布

按裝置故障總數(shù)由高到低的順序排序，依次為催化裂化63起、加氫裂化26起、公用系統(tǒng)25起、加氫精制15起、制氫10起、重整8起、焦化6起，其余裝置13起。

4.1 催化裂化裝置

催化裝置由于其較高的復雜度和操作難度，故障率在煉油裝置中最高，故障主要集中在煙機、軸流風機和氣壓機等大型機組【5-6】，高溫膨脹節(jié)、旋風分離器等反再內構件以及余熱爐、油漿管線等故障高發(fā)部位。

4.2 加氫裂化裝置

加氫裂化由于其高溫、高壓和臨氫等運行因素影響，也是煉油裝置中設備故障率較高的裝置。從故障部位的分布情況看，高壓空冷器銨鹽結晶堵塞及腐蝕泄漏、新氫往復式壓縮機故障、300系列高壓不銹鋼管線焊縫開裂、干氣密封損壞、加氫反應器不銹鋼襯層裂紋鼓包等是其主要故障形式。

5 設備故障后果

按設備故障發(fā)生后對生產(chǎn)造成的影響程度進行統(tǒng)計， 引起全裝置24 h以上非計劃停工的設備故障共61起、 引起全裝置24 h 以內非計劃停工的共60起、 引起裝置局部停工及波動的共45起。

5.1 引起24 h以上非計劃停工的設備故障

引起全裝置24 h以上非計劃停工的61起設備故障中，加氫裂化18起、催化裂化16起、加氫精制9起，是最多的3類裝置；按設備專業(yè)統(tǒng)計，數(shù)量為靜設備41起、動設備14起、儀表電氣共6起；按設備類型統(tǒng)計，則為工藝管線及空冷器各12起、反應器及壓縮機各9起、加熱爐7起。

5.2 引起24 h以內非計劃停工的設備故障

引起全裝置24 h以內非計劃停工的60起設備故障中，催化裂化33起、公用系統(tǒng)13起，為最多的兩類裝置；按設備專業(yè)統(tǒng)計，其中動設備21起、靜設備15起、電氣13起、儀表11起；按設備類型統(tǒng)計，則為工藝管線12起、風機8起、控制閥7起 。

從設備故障對生產(chǎn)造成的影響程度進行分析發(fā)現(xiàn)：加氫類裝置設備壓力等級及復雜性高，并且故障發(fā)生后恢復難度大，其設備故障引起24 h以上非計劃停工的比例高于其他裝置；催化裝置因其故障總數(shù)遠高于其他裝置，24 h以上停工次數(shù)也較多。在設備專業(yè)及類型中，易引起高級別停工的以靜設備中的工藝管線、空冷器及反應器等設備較為突出，主要原因有二：一是靜設備在流程中切出不如動設備方便，且一般沒有備用設備；二是靜設備故障多為突發(fā)，在線監(jiān)測預測手段目前不如動設備準確完善【7】。

6 建議及措施

通過從故障時間、發(fā)生故障的設備類型、故障原因、發(fā)生故障的裝置、后果嚴重程度等方面進行歸納分析，針對煉油企業(yè)設備故障的規(guī)律特點，提出以下建議及措施。

1) 二、三季度設備故障比例高，防汛、防臺、防高溫和防雷電等工作要高度重視，尤其應關注在此期間電氣、儀表及動設備監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

2) 加強操作人員的業(yè)務培訓工作，尤其是異常工況條件下的應急處置能力。

3) 高度關注檢維修人員民工化問題，制定有效措施提高檢維修人員的技術能力，留住工匠級技能人才。

4) 關注裝置低負荷運行條件下的設備腐蝕和大機組葉片共振問題，以及確認停工待料裝置的防腐蝕措施是否到位。

5) 在催化裂化、 加氫裂化裝置的基建、 改造和大檢修過程中， 高度關注設計、 制造和檢維修質量問題， 尤其是厚壁不銹鋼焊縫和小接管焊接質量。

6) 加強靜設備尤其是高壓裝置中的管線、空冷器等故障高發(fā)部位檢測技術的研發(fā)推廣，著力提升腐蝕在線檢測等技術的準確性、針對性。