浅谈丙烷制氢装置核心设备-产品分离塔的定期检验策略

张 楠，康丽霞

(天津渤海化工集团化工设备检验检测中心站，天津 300171)

天津渤海化工集团化工设备检验检测中心站在接受检验委托后，积极主动与天津渤化石化有限公司联系，多次深入现场与公司工艺、设备技术人员进行探讨，首先了解装置工艺流程、分离塔的特点及设备投入生产后的使用情况等方面，为进一步制定合理有效的检验方案提供技术上的支持。丙烷脱氢年产60万t丙烯装置是目前国内首套、世界单套生产规模最大的丙烯生产装置。产品分离塔是丙烷制丙烯项目最核心的设备，也是当前该装置中亚洲单体体积最大的塔器设备。该设备于2013年12月投入使用，由于产品分离塔是投入生产后的首次检验，经过一个周期的运行，在使用中可能产生的各种缺陷及在制造和安装过程中存在的隐藏缺陷也逐渐暴露，有可能发生事故。为此必须进行定期检验，以便发现问题，进一步消除缺陷，恢复设备的各项性能，保证其安全运行。

1-吊柱，2-气体出口，3-回流液入口，4-塔盘，5-壳体，6-进料入口，7-人孔-8-气体入口，9-裙座，10-釜液出口，11-出入口，12-地脚螺栓，13-筋板，14-基础环

图1 产品分离塔示意图

1 分离塔简介

1.1 工艺流程

产品分离塔将进料分离成聚合级丙烯馏出产品和以丙烷为主的塔底产品。脱硫后脱乙烷塔塔底液体是1号分离塔的唯一进料，从第45层塔盘引入。1号分离塔包含135层塔盘，2号分离塔包含155层塔盘。此分离塔系统被设计用来生产99.6 mol%的丙烯产品。塔额操作压力为2.09 MPa，用空冷器冷凝产品，另外还包括用冷却水冷却的补充冷凝器，用来在高环境温度条件下的辅助冷凝。分离塔再沸器负荷由多个热源来满足。在冬季，环境温度足够低时，可允许产品分离塔在减低压力1.68 MPa下操作 。产品分离塔塔底馏出物，经循环冷却器回到反应单元。

1.2 介质特性

丙烷无色气体，纯品无臭。熔点：-187.6℃，沸点：-42.1℃，闪点：-104℃，长期接触可引起头昏、乏力、全身不适、思维不集中。

丙烯常温下为无色有烃类气味的气体。熔点：-191.2℃，沸点-47.4℃，闪点-108℃，爆炸极限：2%～11%。易燃气体，与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。与氧化剂接触能发生猛烈反应。

1.3 基本参数

见表1。

表1 基本参数

2 产品分离塔操作工况

2.1 硫含量的技术要求

2.1.1 进料硫含量要求

表2 进料硫含量要求

2.1.2 产品硫含量要求

表 3 产品硫含量要求

2.2 实际生产过程中分离塔检测结果

表4 实际生产过程中分离塔检测结果

通过对硫含量的分析，排除硫裂的可能。

3 产品分离塔失效模式分析

塔器的失效一般是由多种因素综合作用而引起的，其中三个主要因素是设计不合理、操作不正确以及在关键部位存在缺陷 。塔器在制造和使用过程中，由于焊接工艺、压力加工 、热处理 、机械加工、应力水平、腐蚀和高温环境等原因，将不可避免地产生各种缺陷，且随着设备大型化和高强钢的使用，产生缺陷的可能性随之增加，造成的后果将更为严重。经过对产品分离塔的操作工况等的分析，本设备使用中可能面临的主要失效模式及危害如表5。

表5 产品分离塔失效模式、可能原因及危害

4 产品分离塔达到开罐检验处理物料存在的安全隐患、环保问题及影响开工天数

(1)进行物料处理达到开罐检验存在的安全隐患，存在同行业该装置的事故案例。

1)火灾隐患：由于该系统容积约为18000 m3，完全置换合格难度较大，尤其是一些长期不流动的管线和部位，窝存气相物料甚至液相物料的可能性很大，即使氮气置换取样合格，但过一段时间，窝存的物料扩散很可能会重新污染系统，造成安全隐患。

2)窒息隐患：系统进人检查前要用空气置换氮气，如上所述，系统较大，一些管线或部位很难完全置换合格，有一定的窒息风险。

(2)进行物料处理达到开罐检验存在的环保问题。

经测算，该系统(包含2台产品分离塔、2台表冷器、1台产品回流罐)容积约为18000 m3，在系统处理到气相回收步骤时，无法将该系统内所有物料完全回收，按照系统残留0.2 MPaG压力，那么该系统将会残留约36000 Nm3的可燃气体，这些残存的可燃气体将会排至火炬，造成环保压力。

(3)进行物料处理达到开罐检验条件影响开工时间的具体天数。经测算，该系统(包含2台产品分离塔、2台表冷器、1台产品回流罐)处理准备时间+处理时间+检验时间+检验后恢复时间总共约为35天；而此工作外整个装置处理+检修预计需要25天，预计开罐检验影响开工时间为10天左右。

5 分离塔检验检测的实施

因生产原因，无法达到停车检验的要求，前期，通过对产品分离塔的工艺条件、使用参数、介质特性、使用工况及失效模式的综合分析，检验人员经过多番论证，就分离塔的定期检验，制定了切实可行的检验方案。

5.1 使用单位准备工作

1)拆除影响检验的附属部件或其它物体。

2)提供外部用220V电源，应有漏电保护装置。

3)检验现场应洁净，不应有影响检验的各种杂物。检验过程中，现场及周围不应有威胁到检验人员人身安全的不安全因素。

4)检验时，应有专人监护，并且有可靠的联络措施。

5)使用单位压力容器管理人员和相关人员到场配合，协助检验工作，负责安全监护。

5.2 检验内容

5.2.1 宏观检查

目的是检查设备内外表面的宏观缺陷及结构变化情况，目测检查设备表面状况，包括以下内容：

5.2.1.1 结构检验

封头型式、封头与筒体的连接、开孔位置及补强、纵(环)焊缝的布置及型式、支承或者支座的型式与布置、排放(疏水、排污)装置的设置等。

5.2.1.2 几何尺寸检验

包括筒体同一截面上最大内径与最小内径之差，纵(环)焊缝对口错边量、棱角度、咬边、焊缝余高等；

5.2.1.3 外观检验

包括铭牌和标志，压力容器内外表面的腐蚀，主要受压元件及其焊缝裂纹、泄漏、鼓包、变形、机械接触损伤、过热，工卡具焊迹、电弧灼伤，支承、支座或者基础的下沉、倾斜、开裂，直立容器的铅锤度，排放(疏水、排污)装置和泄漏信号指示孔的堵塞、腐蚀、沉积物，密封紧固件及地脚螺栓完好情况等。

表6 产品分离塔标高测量表

5.2.2 隔热层检验

隔热层的破损、脱落、潮湿，有隔热层下压力容器壳体腐蚀倾向或者产生裂纹可能性的应当拆除隔热层进一步检验。

5.2.3 壁厚测定

①壁厚测定，一般采用超声测厚方法，用超声波测厚仪很好的发现是否有壁厚减薄问题。此次检验难点出现在如何拆除隔热层，对于如此大的容器，如果大面积的拆除隔热层，势必给使用单位恢复隔热层在人力物力财力上带来很大的浪费。在如何拆除隔热的问题上，中心站巧妙运用金属开孔器，只在需测厚部位采用开孔器开孔，取出后的隔热层在测厚完毕进行回填。

②当发现母材有夹层时，应在其附近增加测厚点，扩大检测面积，必要时用超声波探伤仪查明夹层的分布情况和面积大小，以及与母材的倾斜度。必要时进行壁厚校核。

5.2.4 表面无损检测

使用期间定期无损检测的目的则是为了发现使用过程中有无新生缺陷产生，及时提醒用户对其进行维修，以确保生产设备和人员的安全。塔器中大部分制造缺陷都是由焊接产生的，焊接接头质量的好坏直接影响结构的可靠性。焊接缺陷对设备的影响，主要是在缺陷周围产生应力集中，严重时使原缺陷不断扩展，直至破裂；同时，焊接缺陷对疲劳强度、脆性断裂以及应力腐蚀开裂都有重大影响。随着装置大型化和介质复杂化，塔器的安全性和整体可靠性问题日益突出，对无损检测的要求也越来越高。

①经其他检测方法发现的可疑部位。

②对所有角焊缝优先采用磁粉检测，当磁粉检测无法进行时，用渗透检测代替。

③因无法对内表面进行检测，因此在本次检验中采用NB/T47013中的声发射方法对内表面进行检测。

因我站不具备声发射检测资质，据我站《检验检测分包项目管理程序》，对声发射项目进行分包，首先取得了天津渤化有限公司的书面同意，经过对分包方的评审，确定由中国特种设备检验研究院承担声发射的检测。委托中国特检院采用“声发射”等国内最先进的检验技术完成了两座高94.5 m、内径9.7 m、容积达6188 m3，是亚洲单体容积最大塔式设备的产品分离塔的在线检验，引用中国特检院在《中国特种设备安全》发表文章中的一句话(实现了大型塔式设备在线检验技术的尝试和应用)评价中心站制定的检验检测方案和实施策略是巧妙的、科学的、先进的。

图2 探头布置外围图

针对该设备高度特别高、直径特别大的特点，并考虑强海风等恶劣环境条件，经与使用单位共同磋商，将多台声发射仪进行组合应用，进行复杂的探头布置(图2)，并就局部拆除、恢复保温层进行巧妙的设计，制定了一套安全、科学、有效的施工作业检测方案。

根据产品分离塔外围平台布置传感器，由于平台长短不一，传感器布置一共15层，传感器最大间距为5 m，工46个探头。

对此分离塔进行的声发射检测是通过对热交换器注入蒸汽提高塔内温度，进而对塔内进行升压的，从1.6 MPa开始采集数据，最大试验压力1.85 MPa。二次保压压力为1.8 MPa。

本次声发射检测共发现3个有意义信号源，全部在第一次保压阶段，如图3所示。

图3 声发射检测布点示意图

5.2.5 埋藏缺陷检测

目的是检查设备本体是否存在内部超标缺陷，以及判断表面无损发现裂纹的缺陷深度。

采用常规数字式超声波探伤仪检测以下部位：

①M36地脚螺栓清洗后，采用超声波(UT)探伤，检验其损伤和裂纹情况，重点检验螺纹及过度部位有无环向裂纹。

②对其他检测方法有怀疑的部位。

5.2.6 安全附件检验

目的是检查分离塔安全附件是否在校验周期之内。

①检查安全阀标牌及检定证书，检查安全阀是否在校验周期之内；

②检查压力表标识及检定证书，检查压力表是否在校验周期之内；

③综合分析与评价，出具报告

6 设备运行中有效的监控与应急管理措施

(1)产品分离塔系统(包含2台产品分离塔、2台表冷器、1台产品回流罐)配有空气冷却器、另外还配有循环水冷却器，能够保证该系统在极端气温或同等情况下系统不超压；

(2)该系统配有安全联锁系统(SIS)，一旦该系统异常超压，装置会自动停止进料(装置停车)；

(3)该系统还配有安全阀(产品分离塔、表冷器、产品回流罐)，一旦超压，系统将紧急卸放压力；

(4)该系统周围配有若干可燃气体报警仪，一旦发生泄漏，内操将在第一时间发现。

7 不开罐进行全面检验的综合经济分析

7.1 耗电费用

1)GA-1101(液相处理)，功率为110kW，预计使用时间为2天；

2)GA-1502(液相处理),功率为90kW，预计使用时间为2天；

3)GA-1906(液相回填)，功率为90kW，预计使用时间为2天；

4)C-1901A/B(气相回收)，功率为50kW*2，预计使用时间为3天；

电费单价按0.78元/kWh计。

电费总价约为(110*48+90*48+90*48+50*2*72)*0.78=16473.6元。

7.2 氮气费用

按照氮气置换6000Nm3/h，整个过程预计为10天，氮气单价为0.44元/Nm3，那么氮气费用为6000*10*24*0.44=633600元，若上游提供氮气单位使用后备氮(液氮气化)，那么氮气单价将由0.44元/Nm3涨至1.08元/Nm3，氮气总费用将会更高。

7.3 物料浪费

该系统容积为18000 m3，如果按照系统可燃气(主要为丙烷、丙烯)0.2MPaG排火炬算，按照500Nm3可燃气为1t算，那么系统排至火炬的物料液位36000/500=72 t，若按照物料单价5000元/t，那么物料浪费为72*5000=360000元；以上为产品分离塔系统检验直接的经济评估，总费用至少约为1010073.6元。

另外，装置区每天利息折旧在100万以上，因此若按照预计开罐检验条件影响开工时间为10天左右。那么此项费用将上千万。

通过以上分析，此项工作在解决企业物料处理中的安全、环保难题下，综合经济效益在2000万元以上。

天津渤海化工集团化工设备检验测中心站与多方协作、群策群力，实现了产品分离塔在不停车条件下的检验检测。此项工作实现了中心站检验检测综合能力的突破，得到了集团主管领导、同行业专家和天津渤化石化有限公司的一致好评，从而鼓舞了士气、提振了信心、锻炼了队伍。

[1]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 30579-2014 承压设备损伤模式识别[S].北京:中国标准出版社,2014.

[2]路秀林,王者相. 塔设备[M]. 北京:化学工业出版社,2004.

[3]刘志军,喻健良,李志义. 过程机械[M]. 北京:中国石化出版社,2002.

[4]王志文.化工容器设计[M]. 北京:化学工业出版社,1998.