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（中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司）

摘 要：本文探討了煤焦制氫裝置渣水處理單元角閥閃蒸工段存在的腐蝕現(xiàn)象和腐蝕機(jī)理，并結(jié)合工段環(huán)境及機(jī)理提出改進(jìn)措施，由此改進(jìn)同類工段損傷情況，提高設(shè)備使用的可靠性。

關(guān)鍵詞：煤焦制氫裝置；損傷機(jī)理

前 言

某公司煤焦制氫裝置自2019年開工以來，閃蒸工段多次發(fā)生管線腐蝕、泄漏情況，嚴(yán)重影響裝置平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。針對(duì)閃蒸工段發(fā)生的腐蝕、泄漏問題，團(tuán)隊(duì)做了大量的工作，結(jié)合裝置運(yùn)行現(xiàn)狀，進(jìn)行多方面的改進(jìn)，有效解決了腐蝕情況，對(duì)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行有了明顯改善。 

1 工藝流程介紹

煤焦制氫裝置分為氣化單元與凈化單元。氣化單元包括煤漿制備系統(tǒng)、氣化及初步凈化系統(tǒng)、渣水處理系統(tǒng)等主要工藝單元。角閥閃蒸工段位于渣水處理系統(tǒng)，氣化爐、旋風(fēng)分離器和洗滌塔的高壓黑水，經(jīng)過高壓閃蒸角閥后，由于其閥后壓力突然降低，各組分在氣相中的分壓迅速降低，在一定溫度下，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性氣體逸出水面，經(jīng)過分離器，將易揮發(fā)組分在氣相富集，難揮發(fā)組分在液相增濃。三股黑水閃蒸、匯合，再通過多級(jí)閃蒸，將黑水濃縮，便于后系統(tǒng)進(jìn)行固液分離。

裝置共有三個(gè)系列，正常運(yùn)行狀態(tài)下兩開一備，渣水處理單元共24個(gè)閃蒸角閥緩沖筒，每個(gè)系列8個(gè)，以氣化II系列為例，氣化爐、旋風(fēng)分離器、水洗塔的黑水去蒸發(fā)熱水塔各兩個(gè)閃蒸緩沖筒，對(duì)應(yīng)的設(shè)備位號(hào)為12LV201A/B、12FV234A/B、12FV239A/B。蒸發(fā)熱水塔黑水去低壓閃蒸罐有一個(gè)緩沖筒13LV201，低壓閃蒸罐黑水去真空閃蒸器有一個(gè)緩沖筒13LV204，其中氣化爐去蒸發(fā)熱水塔的黑水分兩股分別進(jìn)入，而旋風(fēng)分離器和水洗塔的黑水是兩路黑水匯合后再進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔。

圖1 渣水處理單元角閥閃蒸緩沖筒流程示意圖

2 腐蝕現(xiàn)象

2.1 泄漏檢測(cè)情況

2020年5月14日，裝置II系列低壓閃蒸罐至真空閃蒸器角閥13LV204閃蒸筒筒體三通處發(fā)生泄漏，泄漏位于渣水處理單元，泄漏點(diǎn)在閃蒸筒三通出口段，位于三通側(cè)下方。

針對(duì)泄漏情況，裝置對(duì)此處進(jìn)行漏點(diǎn)進(jìn)行包盒子處理，并對(duì)同工況的I系列、III系列進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用定點(diǎn)測(cè)厚檢測(cè)閃蒸筒壁減薄情況，以及脈沖渦流檢測(cè)分析減薄區(qū)域。根據(jù)測(cè)厚及脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果可以看出，角閥大部分區(qū)域未發(fā)生減薄，減薄主要發(fā)生在三通側(cè)下方，兩側(cè)約3平方分米的區(qū)域呈中心向外擴(kuò)散減薄趨勢(shì)。后續(xù)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行了包盒子、更換三通處理。

圖2. III系列低壓閃蒸罐至真空閃蒸器閃蒸筒脈沖渦流掃查情況

2.2 內(nèi)部檢查情況

2022年5月，裝置II系列氣化停工檢修，針對(duì)渣水處理單元角閥閃蒸筒進(jìn)行檢查分析。

 角閥閃蒸筒運(yùn)行工況如下，截止2022年6月，裝置檢修系列氣化運(yùn)行累計(jì)17800小時(shí)，因角閥運(yùn)行有5%的最低開關(guān)限位，且雙閥設(shè)置的閃蒸筒切換運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)大致接近，暫定所有角閥運(yùn)行時(shí)間相同。

表1  角閥閃蒸緩沖筒尺寸及工況

角閥結(jié)構(gòu)如下，介質(zhì)從角閥側(cè)向進(jìn)口進(jìn)入，流向在角閥流道內(nèi)轉(zhuǎn)向90°向下，經(jīng)過閥芯節(jié)流、降壓排至閃蒸緩沖筒，角閥出口配有一根文丘里內(nèi)襯延伸管。根據(jù)伯努利方程，經(jīng)過角閥的黑水壓力大幅下降，壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，同時(shí)壓力下降，黑水解析出大量閃蒸氣，氣、液及夾帶的固體顆粒高速噴出，首先經(jīng)過I段氣相空間進(jìn)行緩沖，大部分氣體沿水平方向流向容器，氣相空間的緩沖能力不足以將減壓后的介質(zhì)能量完全吸收，液體、固體及部分氣體仍向下噴射，經(jīng)過緩沖筒內(nèi)液相介質(zhì)的緩沖后，黑水液體、固體在緩沖筒中存積，然后溢流至容器中，若液相過程中能量沒有完全被吸收，剩余的能量將作用到緩沖筒底部法蘭蓋上。

圖3  角閥結(jié)構(gòu)及角閥緩沖筒分段情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，將角閥閃蒸緩沖筒分為四段檢查分析：

I、上段，從角閥至三通上焊縫的以上；II、中段，是三通上下焊縫之間至出口法蘭III、下段，是三通下焊縫至閃蒸筒底部IV、第四段是閃蒸筒出口法蘭至塔或容器。

對(duì)角閥閃蒸緩沖筒各段檢查，檢查結(jié)果如下：

第一段各設(shè)備沒有發(fā)生減薄的情況；真空閃蒸器角閥13LV204閃蒸緩沖筒第二段磨損泄漏；氣化爐至蒸發(fā)熱水塔的角閥12LV201A/B、蒸發(fā)熱水塔至低壓閃蒸罐的角閥13LV201閃蒸緩沖筒第三段的底部法蘭蓋，及配對(duì)的法蘭中段磨損嚴(yán)重；各緩沖筒第四段都沒有減薄。此外，檢查各角閥文丘里內(nèi)襯延伸管段，氣化爐黑水閃蒸角閥12LV201A/B此段內(nèi)襯管磨損變形，內(nèi)圈由圓形磨損成不規(guī)則形狀。

圖4 角閥內(nèi)部磨損情況

3 機(jī)理分析

各角閥管線運(yùn)行工況如下：

表2 角閥閃蒸緩沖筒尺寸及工況

可以看出，氣化爐至蒸發(fā)熱水塔黑水質(zhì)量流量最大，根據(jù)能量守恒，以及伯努利方程，黑水能量與質(zhì)量流量呈正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)初步計(jì)算，氣化爐黑水單位時(shí)間的動(dòng)能約為旋風(fēng)分離器黑水的6倍，是水洗塔黑水的90倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩者。根據(jù)緩沖筒緩沖原理，氣化爐黑水能量難以完全被緩沖筒內(nèi)部介質(zhì)吸收，部分能量作用到底部法蘭蓋上，造成底部法蘭蓋產(chǎn)生凹坑。此外，根據(jù)各角閥緩沖筒尺寸看出，氣化爐角閥延伸段最長(zhǎng)，對(duì)氣化爐黑水徑向運(yùn)行的約束距離最長(zhǎng)，但此股黑水能量最大，黑水與延伸管直接接觸、沖刷，造成延伸管磨損、變形。

對(duì)蒸發(fā)熱水塔至低壓閃蒸罐黑水和低壓閃蒸罐至真空閃蒸器黑水角閥閃蒸緩沖筒進(jìn)行分析：這兩股黑水流量相當(dāng)，管徑相等，黑水的初始能量相當(dāng)，但產(chǎn)生磨損的部位、現(xiàn)象不同，對(duì)此逐一進(jìn)行分析。

低閃角閥前后壓差約0.43MPa，真閃角閥前后壓差約0.31MPa，根據(jù)伯努利方程，低閃角閥后流體流速更快，攜帶的能量更大，造成的現(xiàn)象與氣化爐黑水效果類似，底部法蘭蓋中間被直接沖擊產(chǎn)生凹坑，但因?yàn)閴航递^氣化爐黑水更低，且內(nèi)襯管延伸段長(zhǎng)度更短，只有氣化爐角閥的一半，這么短距離不足以在徑向造成嚴(yán)重磨損，所以低閃角閥內(nèi)襯管未發(fā)生變形。

真閃黑水能量比低閃低，但是卻對(duì)三通部位造成磨損，在投用運(yùn)行約7300小時(shí)時(shí)就被磨穿、泄漏，分析產(chǎn)生此磨損原因如下：

1）根據(jù)閃蒸原理，真閃閃蒸氣量最大，黑水出角閥后，閃蒸出的大量閃蒸氣破壞了黑水直噴結(jié)構(gòu)，造成噴射流體徑向偏移，能量直接作用到三通處筒壁上，從外觀上也能看出，三通部位有一圈沒有結(jié)垢的地方，應(yīng)為長(zhǎng)期受到黑水流體直噴產(chǎn)生；

2）真閃角閥延伸管長(zhǎng)度只有氣化爐角閥長(zhǎng)度的一半，對(duì)黑水流體噴射約束效果更差，介質(zhì)更容易發(fā)生偏流；

3）真閃角閥閃蒸緩沖筒I段長(zhǎng)度只有氣化爐角閥的一半，緩沖能力較差，介質(zhì)到三通部位能量沒有得到足夠緩沖，作用在筒壁能量仍很大，對(duì)筒壁磨損嚴(yán)重；

4）因閃蒸系統(tǒng)每一級(jí)都將上一級(jí)黑水進(jìn)行濃縮，所以真閃這一級(jí)濃縮后的黑水固含量最高，對(duì)閃蒸筒管壁磨損最大。

總結(jié)上述設(shè)備磨損現(xiàn)象，真閃角閥運(yùn)行7300小時(shí)就發(fā)生磨損泄漏，而氣化爐黑水角閥和低閃角閥雖然有減薄現(xiàn)象，但運(yùn)行17800小時(shí)仍未發(fā)生泄漏，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查討論分析，有如下因素導(dǎo)致磨損泄漏差異：

磨損部位原始厚度不同，真閃磨損部位原始厚度為14mm，而閃蒸筒底部法蘭蓋經(jīng)過加厚，厚度接近100mm，底部法蘭頸部磨損部位厚度也有20mm，所以更不容易磨穿泄漏；

真閃黑水射流發(fā)生偏流，到達(dá)直接沖刷部位的距離短，筒內(nèi)介質(zhì)吸收的能量少，直接作用在本體上的能量大；低閃、氣化爐黑水射流直達(dá)底部，經(jīng)過了I、II、III三段介質(zhì)的緩沖，作用在設(shè)備本體的能量更小，更不容易穿透；

氣化爐角閥延伸段更長(zhǎng)，對(duì)射流約束作用大，沒有產(chǎn)生偏流導(dǎo)致設(shè)備側(cè)壁受到磨損，但由于黑水能量大，與角閥延伸管相互作用更多，最終導(dǎo)致延伸管磨損變形。

根據(jù)角閥閃蒸緩沖筒磨損情況分析總結(jié)如下：

1）角閥閥座延伸管對(duì)流體噴射進(jìn)行導(dǎo)流，約束閃蒸流體沿中心線向下流動(dòng)，約束段越長(zhǎng)越不易發(fā)生偏流；

2）流體攜帶的能量越大，對(duì)緩沖筒本體造成的損壞程度越深；

3）射流偏流會(huì)因緩沖距離短、沖刷角度原因，造成設(shè)備使用壽命偏短，更容易發(fā)生泄漏。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)上述總結(jié)的角閥閃蒸緩沖筒磨損分析結(jié)果，做出了幾種針對(duì)性的改進(jìn)措施：

1）對(duì)內(nèi)襯延伸管較短的低閃、真閃角閥筒，在角閥法蘭蓋下部，延伸管外圈加裝直徑300mm的導(dǎo)流筒，增強(qiáng)導(dǎo)流性能，防止射流產(chǎn)生偏流直沖緩沖筒本體。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，將低閃、真閃角閥緩沖筒下段加長(zhǎng)1300mm，增加緩沖筒的緩沖能力，減弱射流直沖能量，減少對(duì)緩沖筒底部法蘭蓋的沖刷，此外，加裝后緩沖筒離地面更近，方便檢修時(shí)的拆裝清理作業(yè)。高閃的6個(gè)緩沖筒由于現(xiàn)場(chǎng)沒有空間，暫無法實(shí)施。

3）針對(duì)射流能量較大的氣化爐、低閃、真閃黑水，在緩沖筒底部法蘭蓋上加裝一圈保護(hù)板，高度100mm，加強(qiáng)圈緊貼緩沖筒壁，直徑約580mm，作用是保護(hù)底部法蘭頸部，防止磨損。

4）在緩沖筒中部設(shè)置夾套及檢漏孔，若筒體三通磨損泄漏，能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，同時(shí)保護(hù)設(shè)備，防止介質(zhì)外漏，能支撐到裝置平穩(wěn)停車檢修。

圖5 角閥閃蒸緩沖筒改進(jìn)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

煤焦制氫裝置渣水處理單元角閥閃蒸緩沖筒介質(zhì)流速大，介質(zhì)為固液氣多相流體，易產(chǎn)生沖刷、磨損，是裝置運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)設(shè)備沖蝕現(xiàn)象，對(duì)沖蝕影響因素進(jìn)行分析、確認(rèn)，采取針對(duì)性改進(jìn)措施，確實(shí)做到防范于未然。本文從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，深度剖析了閃蒸角閥系統(tǒng)緩沖筒沖蝕、磨損的原因和影響因素，并提出了可行的解決方案，為日后同類型系統(tǒng)的優(yōu)化提升提供借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：丁尖（1995-），男，2019年6月畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），取得碩士研究生學(xué)位，于2019年8月入職中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司，從事煤焦制氫裝置設(shè)備技術(shù)職位。