两套延迟焦化装置的风险比较

朱晏萱，柏明清

(1.克拉玛依职业技术学院机械工程系，新疆独山子833600;2.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆独山子833600)

某石化公司作为基于风险评估的设备检验技术(Risk Based Inspection，RBI)试点单位，已先后开展十余套装置的风险评估工作。在历次检维修方案制定时，充分考虑了评估装置设备的风险等级和检验策略，为装置开展风险管理，预防或减少设备失效提供一个可靠的方法。该公司两套延迟焦化装置先后进行过RBI风险评估，为了更好的使用RBI技术，探讨有效的设备安全管理方法，有必要对同类型装置的风险情况进行对比，找出影响装置风险水平差异的因素，为装置设备管理提供参考。

1 延迟焦化装置的基本情况

两套装置的设计加工量分别为600 kt/a和1.2 Mt/a，原料为减压渣油，1.2 Mt/a延迟焦化装置由于加工量提高了一倍，其设备、管道数量也增加了数倍，两套装置的基本情况见表1。

表1 两套装置情况对比Table 1 Comparing between two units

2 风险对比情况

2.1 装置风险情况对比

对两套装置所有系统内的压力容器、压力管道进行风险统计，统计结果见图1。由图1可以看出，600 kt/a延迟焦化装置的设备分布在四个风险等级中，中风险等级的压力容器所占数目最多，而1.2 Mt/a延迟焦化装置的设备仅分布在低风险、中风险和中高风险等级中，无高风险设备。为便于横向比较两套装置的风险分布情况，专门制作设备分布比例图(见图2)。由图2可以看出，1.2 Mt/a延迟焦化装置设备的风险比重主要集中在中风险和低风险等级中，而600 kt/a延迟焦化装置设备的风险比重在中风险、中高风险及高风险等级上均要高于1.2 Mt/a延迟焦化装置。

图1 设备风险数量对比Fig.1 Comparing for risk number of equipment

图2 设备分布比例对比Fig.2 Comparing for distributing of equipment

2.2 主要设备风险对比

将两套装置中的重要设备焦炭塔、分馏塔、稳定塔/吸收塔及汽提塔等的风险等级进行对比，结果见表2。由表2可以看出，600 kt/a延迟焦化装置的主要设备风险等级显著高于1.2 Mt/a延迟焦化装置，焦炭塔及分馏塔的风险等级差异较大。

表2 主要设备风险情况Table 2 Risk for important equipment

2.3 主要损伤机理对比

RBI软件对两套装置的损伤机理计算表明，主导两套装置设备发生失效的主要潜在损伤机理有高温硫/环烷酸腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)、酸性水腐蚀、氢致开裂(HIC)、定向应力氢诱导开裂(SOHIC)等，经统计，发现两套装置设备发生以上损伤的比例差别不大，但在高温硫/环烷酸腐蚀和HIC/SOHIC比重上存在5%左右的差异，统计结果见表3。

表3 主要损伤机理分布情况Table 3 Distributing for main damage mechanism

在焦炭塔工段，设备的主要潜在损伤机理是高温硫/环烷酸腐蚀，当焦炭塔内表面被结焦层覆盖后，发生这种失效的可能性降低，实际使用中发现，对于老装置的焦炭塔，内外表面裂纹和金相组织的变化需要关注;同时须定期测量设备的变形量。分馏塔工段中分馏塔底主要的损伤机理为高温硫/环烷酸腐蚀，顶部为酸性水腐蚀及 HIC/SOHIC，一般质量分数为12%Cr系列钢均有较好的耐蚀性能［1］，使用及检维修过程中，需重点关注分馏塔的接管、法兰等部件。

3 风险差异分析及风险管理建议

3.1 原料分析

两套装置的原料组成主要为减压渣油，减压渣油中的硫、氮、环烷酸等是装置中的主要腐蚀介质，两套装置减压渣油中的上述腐蚀介质含量变化不大，所以对相同材料而言，介质中腐蚀流差异引起的腐蚀失效可能性的变化不大。

3.2 资料完整情况分析

600 kt/a延迟焦化装置的投用时间较早，由于各种原因，在进行RBI风险评估时搜集的有效数据资料仅占所有设备的60%，加热炉、焦炭塔、分馏塔等主要设备资料比较齐全，管线类资料丢失较严重，且装置存在材料代用情况较多，对于资料不全的设备，材料一般按保守选择，造成该装置的整体风险水平较高。1.2 Mt/a延迟焦化装置是近几年刚投用的新装置，设备基础资料齐全，且随着设计、制造、安装水平的提高，装置的整体风险水平较600 kt/a延迟焦化装置要低。

3.3 材料因素分析

选取两套装置的主要设备进行对比(见表4)，焦炭塔的设计标准选材一般为20g［2］，对于高硫原油装置，设计选材标准［3］规定塔体上部为15CrMoR(碳钢)+0Cr13(Al)，下部为15CrMoR(碳钢)。从新装置的选材看，焦炭塔顶部14Cr1MoR+0Cr13Al的材料能够有效抵抗HCl+H2S+H2O型腐蚀和高温硫/环烷酸腐蚀，设备的失效可能性降低，且14Cr1MoR因为Cr和Mo的添加使材料的高温持久性和抗蠕变性能得到提高［4］，老装置中筒体部分使用 20g材质，20g在400℃以上使用时，即可产生蠕变［5］，所以老装置焦炭塔处于蠕变损伤环境下。同时在老装置的使用中发现，虽然焦炭塔设备选材部分有20g，但由于设备内表面被结焦层覆盖，发生高温硫/环烷酸失效的可能性并不高，只是发生了因温差应力导致的表面裂纹较多，也发生了长时间运行造成塔体本身的蠕变变形。在SH/T3096-2001设计导则中，分馏塔的标准设计选材为碳钢+0Cr13(Al)，新装置中分馏塔衬里层0Cr13Al除了能有效抵抗高温硫/环烷酸腐蚀及酸性水腐蚀，还有较好的抗SCC能力，1Cr18Ni9Ti和0Cr13(Al)的抗高温硫/环烷酸腐蚀能力基本相同，使用20R+0Cr13Al在选材上更经济，只是增加了衬里层剥离的风险。吸收塔由于材质相同，评价出的失效可能性及风险等级也相同，汽提塔则由于新装置选择碳钢+0Cr13，能够有效抵抗高温硫/环烷酸腐蚀，失效可能性降低，风险等级由同类型老装置的中高风险降为低风险。

从新旧两套装置主要设备的材料对比可以看出，由于新装置设备材料的升级，设备抵抗介质腐蚀、开裂能力的提高，设备风险也降低到较低的水平。

表4 主要设备基本情况Table 4 Information for main equipment

3.4 检验情况分析

600 kt/a延迟焦化装置投用时间较早，已先后进行多次停工检验，在最近几次检验中，先后发现内、外表面裂纹多处，塔体均呈现不同程度的鼓凸变形，且金相组织中出现轻度或中度的珠光体球化现象，分馏塔曾因塔体接管材质问题引起非计划停工，而在管线检验中也发现多起因材料代用导致的腐蚀减薄情况。1.2 Mt/a延迟焦化装置在第一次检修中未发现主要设备的腐蚀、减薄、开裂等失效问题，且该装置运行使用过程较平稳。从运行过程和检验的结果来看，新旧两套装置的风险水平能够反映装置的实际安全状况。RBI评估的可靠性依赖于设备管道基础资料的完整性，老装置因为选材的标准问题、安装改造过程的规范问题，导致设备风险水平较真实水平差异较大。

3.5 风险管理

3.5.1 高温硫腐蚀

高温硫腐蚀一般发生在240～500℃，主要是硫及硫的化合物对金属材料造成的化学腐蚀，加热炉管、焦炭塔、分馏塔底部及其集油箱部位、相关设备及管线等均存在潜在的失效可能，从600 kt/a焦化装置分馏塔接管失效的数据来看［6］，高温硫腐蚀的腐蚀速率基本符合API581－2000的数据，应以18-8，Cr5Mo、碳钢的优先顺序选材。1.2 Mt/a焦化的主要容器、管线在此温度下的选材基本以18-8和Cr5Mo为主，从风险评价结果看，风险都不高，运行过程中只需选择代表性测厚点进行定期监测即可。600 kt/a焦化装置多以碳钢和CrMo钢为主，一些高温碳钢管线腐蚀尤为严重，装置如长周期运行须在停工时进行材质升级，对于不能升级的应重点进行定点壁厚监测，测厚部位选择在盲管、高流速、引起变速的弯头、大小头、三通等区域以及易产生湍流涡流等部位。高温硫环境下伴有环烷酸时，腐蚀会加剧，从600 kt/a焦化装置的失效管线的外观情况看，未见明显的沟槽状环烷酸腐蚀特征，但原料中酸值较大时，须扩大测厚检测比例。

在600 kt/a焦化装置中加热炉管采用Cr5Mo衬Al效果较好，1.2 Mt/a焦化装置炉管由于新投入使用不久，未见异常，加热炉炉管在一些企业的实际应用中也发现烟气露点腐蚀［7］，在停工检修中需关注炉管外部腐蚀情况。

3.5.2 低温部位腐蚀

在分馏塔顶部的塔壁及塔盘等部位主要以低温湿硫化氢腐蚀为主，顶部及出口管线的腐蚀为HCl+H2S+H2O和酸性水腐蚀，对于321和碳钢衬0Cr13Al材料而言，具有较好的耐低温湿硫化氢腐蚀能力，所以分馏塔顶部在新旧两套装置上风险较低。HCl+H2S+H2O型腐蚀和酸性水腐蚀对碳钢类材料影响较大，虽然分馏塔顶注入NH3，使得HCl+H2S的腐蚀减弱，但由于NH3的存在使分馏塔顶部及出口管线存在点蚀、坑蚀等局部腐蚀的可能性增加，故在使用过程中，应加大该位置定点测厚的比例。老装置设备本体用材经过多年改造升级，设备本体风险呈下降趋势，使用过程中应重点关注与设备本体相连接的接管、法兰、仪表接口等部位。

低温湿H2S腐蚀会带来SCC和HIC/SOHIC，SCC主要发生在强度较高的材料上，降低硬度和消除残余应力可以避免SCC的发生，HIC/SOHIC属氢致开裂，与材料残余应力水平无关，与材料中S含量有关，同时与氰化物关系密切，氰化物能够促进H2S的腐蚀，所以在分馏塔顶设置采样点，定期监测氰化物的含量显得很必要。

3.5.3 焦炭塔的寿命

焦炭塔属间歇性操作设备，由于温差应力的作用易产生疲劳裂纹、塔体变形等问题，600 kt/a焦化装置4台焦炭塔经过近20余年的使用已产生明显的塔体变形。虽然1.2 Mt/a焦化装置采用了14Cr1MoR+0Cr13材料，较老装置采用的20g+13CrMo44耐蚀性有很大的提高，但影响焦炭塔寿命主要是冷却操作过程。快冷在提高物料处理量的同时对材料的损伤作用也很明显，所以寻找工艺上合适的处理量从长远来看，能够增加焦炭塔的使用寿命，且减少因设备变形增加的检验成本和停工时间成本。

3.5.4 风险评估报告的使用

近几年，全国各大石油石化企业均积极进行了RBI技术应用，RBI风险评估报告已经在检验单位、使用单位产生了明显的应用效果，但就基层单位的应用情况看，远未达到RBI在中国推广之初预期的目的。使用单位的基层管理人员素质参差不齐，报告中的风险结论、腐蚀机理、检验策略等内容不知如何应用到实际的管理中，一些企业只进行一次风险评估后无后续的再评估过程，间接造成了资源浪费，所以使用单位应该积极与评估单位沟通使用效果，增加基层单位设备管理人员材料、腐蚀等方面的培训工作，使设备管理人员能够运用RBI成果有的放矢地进行日常维护管理，减少不必要的检维修成本。

4 结论

(1)通过两套焦化装置的风险对比分析发现，1.2 Mt/a延迟焦化装置无高风险设备，风险集中在低风险和中风险等级，中高风险设备所占比重较600 kt/a延迟焦化装置低，且新装置主要设备风险低于老装置。

(2)设备材质是影响风险差异的关键因素，在工艺、原料变化不大的情况下，材质的合理选择能够显著降低设备发生失效的可能性，从而降低设备风险。复合钢板的广泛使用不仅能够有效降低失效发生的可能性，还能降低设备制造成本。影响两套装置的风险差异因素还包含资料完整性、管理情况、投用时间、检验有效性等，装置的实际风险还包含设计的不合理问题、安装制造时材料的不规范代用问题等，所以新装置在设计、制造环节所产生的风险要低于老装置。

(3)通过风险评估结果，可以针对关键设备、关键区域进行有效地监测，减少设备失效事故的发生。企业基层管理人员应积极开展风险管理工作，加大关于RBI评估方面的培训工作，为RBI技术更好的应用打下基础。

［1］ API581 －2000.American Prtroleum Institute，Risk-based Inspection Base Resource Document［S］.

［2］ 孙文立，赵俊芳.石油化工厂实用材料手册［M］.北京:化学工业出版社，2003.478-479.

［3］ SH/T3096－2001，加工高硫原油重点装置主要设备设计选材导则［S］.

［4］ 黄建中，左禹.材料的耐蚀性和腐蚀数据［M］.北京:化学工业出版社，2002:135-138.

［5］ 中国石化设备管理协会.石油化工装置设备腐蚀与防护手册［M］.北京:中国石化出版社，2001:122.

［6］ 柏明清.RBI技术在焦化装置的应用问题探讨［J］.压力容器，2010，27(5):60-63.

［7］ 孙爱萍，马永鹏，刘惠敏.焦化加热炉硫腐蚀分析与防腐蚀措施［J］. 腐蚀与防护，2011，32(12):991-992.