兰州石化│连续重整装置进料换热器腐蚀内漏原因分析和对策
关键词 | 连续重整 进料换热器 腐蚀
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连续重整装置进料换热器简介
连续重整装置作为炼油化工企业中的核心装置，主要以生产高辛烷值汽油和三苯产品为主，并副产加氢装置所用氢气。重整进料换热器是重整进料和反应产物的热交换器，其性能好坏直接影响到进料加热炉的负荷和反应系统的压力降，影响装置的能耗，是装置的关键设备之一。目前国内连续重整装置运用广泛的进料换热器主要以缠绕管式换热器和板壳式换热器为主。板壳式换热器由于具有换热效率高、压力降低、占地面积小等优点在市场上有较好的竞争力，但同时也具有投资费用高、操作条件要求苛刻、易泄漏等缺点。尤其是适应循环氢中断或进料中断、温度和压力大幅度波动等异常状况的能力较差，极易发生泄漏，影响装置安全平稳长周期运行。
进料换热器的运行现状及存在问题
中国石油兰州石化公司连续重整装置进料换热器E-201于2011年8月装置扩能改造时更换为国产立式板壳程热交换器，先后经过2014年、2016年两次大检修，均未发现明显异常。
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换热效率降低
板式换热器的换热效率可以通过热端温差及压力降进行表征。E-201更换为板式换热器后运行参数如表1所示。
其热端温差从18.5℃上升至45.0℃。E-201压力降变化如表2所示，总体呈缓慢上升状态(2018年3月压力降下降受到换热器内漏影响)。
综合E-201的热端温差及压力降变化趋势，说明经过近8a运行，该板式换热器的换热效率逐步下降。
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换热器内漏
自2018年2月起，重整生成油环烷烃含量明显升高。对E-201壳程出、入口产品进行分析，发现壳程入口的环烷烃质量分数低于1%，出口高于4%，据此初步判断换热器出现内漏。
2018年5月装置停工检查E-201内构件，发现板束上部端面靠近一侧压紧板的18组板管端面焊缝开裂，相对应的壳程侧带孔镶条及板管长焊缝弯曲变形及开裂。另一侧板束与侧板焊缝有100mm裂纹，板片裂纹大部分深入内部(见图1)。
换热器泄漏原因分析
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换热效率下降原因分析
E-201换热效率下降主要是板束结垢堵塞造成，这也是换热器压力降增加的主要原因。板束结垢原因主要有以下几个方面。
①铵盐结晶
含硫、氯和氮的原料油进入预加氢系统后转化成H2S，HCl和NH3，且在预加氢汽提塔中无法全部脱除，部分H2S，HCl和NH3相互反应生成NH4Cl和(NH4)2S并随原料油进入重整系统。以NH4Cl为例，当氯化铵盐进入E-201板程后，部分晶体会被吸附在换热片表面，特别是流速很低的部位，如内壁、换热片边缘等处。随着时间推移，换热表面的铵盐晶体不断堆积，最终堵塞换热通道，造成压力降升高。
根据重整催化剂及腐蚀控制要求，需控制重整进料氯、氮质量分数均不超过0.5μg/g。近三年装置分析数据显示，重整进料氮质量分数最高达1.7μg/g，氯质量分数长期超1.0μg/g，最高达4.9μg/g，远超控制指标。说明装置预加氢系统脱氯脱氮效果不佳。
②催化剂粉末及炭粉沉积
2016年装置检修复工后出现反应器器壁积炭，整个反再系统出现大量的炭块及炭粉，造成反应器38根扇形筒和二反中心管破裂变形。据此可判断有大量炭粉随油气进入E-201，因其密度比油气大，在流速低、通道小的板式换热器中极易沉积。除此之外，重整催化剂在连续循环再生过程中由于磨损、挤压、操作条件变化等因素影响产生粉末和破损剂，该部分催化剂粉末可随油气穿过中心管约翰逊网进入换热器。
③胶质沉积
重整原料含有一定量的胶质，胶质中的烯烃、芳烃、硫醇、氮、酚等在高温条件下会发生一系列反应生成稳定的大分子物质，容易沉积在设备表面。部分胶质在受热或高温下氧化成沥青质，甚至形成不溶于油的焦炭状物质——油焦质。
重整反应产物在E-201入口温度为480~500℃，胶质的流动性良好。随着温度逐渐降低，反应物出口温度降至100℃以下，沸点较高的胶质缓慢沉积，黏附于换热片表面上，一旦形成结垢中心，结垢速率呈几何倍数增加，逐渐覆盖整个换热片，堵塞通道。
此外，重整进料中H2S，HCl与水接触形成酸性溶液，对换热器腐蚀形成的FeClx和FeSx，以及铵盐结晶物的垢下腐蚀产物均易在换热器的低温部位沉积，影响换热效率。
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换热器内漏原因分析
E-201的换热元件板片采用不锈钢薄板压制成型波纹板，两块成型好的板片纵向长焊缝组焊在一起形成一个板管。将板管叠合在一起组成板管束，在板管束的两端，焊接板管与板管间的横焊缝，板管束侧面的长焊缝之间填充长的镶条，镶条的两侧与长焊缝再进行密封焊，如图2所示。
板管束两侧的长焊缝与镶条焊接后，板束的两侧边缘厚度增加，当板换热端温差快速上升时，由于板片与侧边的厚度不一致，导致热膨胀速率不同，造成板片与镶条连接处热应力增大。因此，一旦换热器的板管热膨胀的速度过快或受热不均匀都会导致板片开裂。
从E-201裂纹外观位置及热端温差的上升情况分析，随着换热器长时间运行，板片之间流道结焦、结垢、堵塞，使板片各流道间流动介质的流量产生差异，从而导致板片长期受热不均，发生应力变化造成开裂。
换热器维修保护措施
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优化操作
①重整进料优化
为了减少E-201的铵盐结晶，需要从控制重整进料的氮、氯含量着手。2018年5月对预加氢反应催化剂和高温脱氯剂进行更换，同时将预加氢汽提塔改为全回流操作增加汽提效果。重整进料氯、氮质量分数均满足小于0.5μg/g的指标要求。
②提高E-201板程入口温度
提高E-201板程入口(重整进料)温度对铵盐结晶有一定的缓解作用，同时也可减少换热器的换热负荷。为了提高E-201进料温度，重整进料线新增保温，同时优化现有工艺流程，将汽提塔C-102塔底换热器E-106C切出系统。表3为E-106C切出后E-201温度变化。
从表3可以看出，E-106C切出系统后E-201入口温度提高了10.4℃，热端温差下降2.8℃。说明提高E-201进料温度对提高其换热效率有一定的效果。
③防止炭粉及粉尘进入
E-201防止进入E-201反应产物携带催化剂粉尘及炭粉是控制E-201换热效率继续下降的有效手段。一方面为了遏制反应器产生器壁积炭，对重整进料进行持续注硫，并严格控制注硫速度，确保重整进料的硫质量分数保持在0.25~0.70μg/g。另一方面，及时根据催化剂粉尘量及形态调节淘析气量，尽量维持在2300m3/h以上，保证催化剂粉尘及不完整颗粒能在再生系统有效分离，减少其通过约翰逊网孔随反应油气进入E-201概率。
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E-201修复堵漏
2018年5月28日对E-201进行维修处理。首先采用氩弧焊修补的方式，对端面及侧面焊缝进行了修补，同时对原料油分布管及循环氢入口分配盘进行了清理。但由于部分裂纹深入板片内部，无法进行补焊，随后的保压实验也不理想，说明泄漏量依然很大，堵漏效果不好。图3为E-201板程焊缝修补情况。
第二次修复堵漏分别对板程和壳程进行较大面积封堵。
①封堵板程18根板管
先将长镶条嵌入板程出口第18个通道，使之与板束端面基本平齐，并与相邻板管连续焊接。再采用材质为S30408钢板，周边分别与压紧板、侧板和插入板管的长镶条焊接，并用梁予以加强。加强梁与封堵板、压紧板焊接，通过两块连接板与上方的横梁焊接。冷端先将两根横梁拆下，将长镶条嵌入板程入口第18个通道，使之与板束端面基本平齐，并与相邻板管连续焊接。采用材质为S30408钢板，四周分别与压紧板、侧板和插入板管的长镶条焊接。封堵板焊接完成后，将拆下的两根横梁相对原位置下移100mm，两端与压紧板焊接。
②封堵板管壳程入口
采用2张材质为S30408的钢板，封堵靠近泄漏侧压紧板带孔镶条部位的18个板管，四周分别与压紧板、侧板、带孔镶条贴紧点焊。
堵漏后进行了0.3MPa保压实验，保压时间达到30min，泄漏量明显减少，说明堵漏效果明显。装置于2018年6月5日恢复开工，开工后重整生成油环烷烃明显下降(见表4)，抽提发泡情况得到有效的遏制。
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低流量保护
低流量保护模式是连续重整装置在循环氢压缩机停运、加热炉停炉等异常状态下，为保护换热器及反应器内构件，控制小流量的氢气进入反应系统，使反应器、进料换热器的温度变化在可控制范围内的一种工艺手段。目前主要有利用重整氢增压机补偿、利用循环氢压缩机防喘振线及利用循环氢压缩机低转速运行来实现的几种模式。该装置采用补偿化工氢和循环氢压缩机K-201低流量开机相结合的方式来进行。
以连续重整装置某次K-201故障停车情况为例，K-201于当日15：00连锁停机，四合一炉连锁熄火，重整切断进料，5min之内将3000~5000m3/h化工氢补入反应系统。一方面避免了反应系统压力突降造成氢增压机K-202停机，另一方面也可尽量减少反应器及E-201温度剧变，保护了设备。当日18：00左右开启K-201并点四合一炉，19：40左右恢复进料。在此期间，K-201长期处于低转速运行，保证点火升温初期循环氢流量不超过8000m3/h，直至E-201热端温差趋于稳定后，K-201转速才逐步调节至正常，循环氢量提升至28000m3/h。连续重整装置恢复正常后，E-201热端温差由停工前49.8℃上升至50.6℃，上升幅度不超过1℃，且重整生成油环烷烃含量也没有明显变化，说明泄漏没有明显增大。
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