乙烯装置设备结冰、结露保冷失效原因浅析

曹 宇，陈祖武

(茂名石化，广东 茂名 525000)

中国石油化工股份有限公司茂名分公司1000 kt/a乙烯生产装置有两套装置，分别是1#裂解和2#裂解。1#裂解装置采用美国Lummus工艺，2#裂解装置采用SW工艺。两套装置的压分区的最低温度为-169.5 ℃，而且很大一部分设备管线在低温下运行。因为装置的特殊性，要求装置五年一次大修，因此更换或是改造保冷材料大部分都是在装置停工大修期间进行。那么一些施工安装不规范、设计不合理或是其它原因造成保冷材料受损导致保冷失效失效，进而难以保证设备防腐及冷损失量的要求。为此，必须合理的设计保冷结构，以达到既安全又经济的低温保冷目的。而在保冷工程中，设计是根本，选才是关键，施工和管理是保证。

装置低温管线，特别是深冷管线及设备表面在常温天气下多出现结露，结冰的情况发生。一方面会导致管线和设备周围腐蚀加快；另一方面使得周围多处生长青苔和积水，不利于操作环境。究其原因，导致管线和设备本体多处结冰、结露的原因有多种情况，只有从根本上解决产生结冰、结露的原因，才能防止以上情况发生，本文对相关原因做一简单分析。

1 设备结冰、结露的原因分析

设备结冰结露的最根本的原因是保冷失效，导致低温管线或设备表面冷损失量加大，水气遇到低温结冰、结露。长时间此种情况会加快保冷失效，最终水汽侵入保冷材料内部，再结合空气中的氧气，设备及管线表面发生氧化反应，从而腐蚀设备及管线。

结合乙烯装置情况，引起保冷失效的原因有很多种，主要有以下几个方面：

(1)设备保冷设计不合理。设计的保冷厚度或是结构不能满足绝热要求，设备及管线表面冷损失量过大。

(2)保冷选材不合理。保冷材料选用较低等级，绝热保冷效果差，冷损失量大。

(3)保冷施工安装不合理。

(4)日常管理不合理。

(5)自然因素导致保冷损坏失效。

1.1 保冷设计问题

1.1.1 保冷结构设计不合理

现有的保冷结构最普遍的就是保冷层、防潮层、保护层三层，三者缺一不可。当然设备在安装保冷结构之前还要给设备表面涂刷防锈层，防止设备在保冷失效的情况下腐蚀损坏[1]。现阶段保冷材料选取最多的就是泡沫玻璃和聚氨酯，两者各有各的特点。其中泡沫玻璃的阻燃性最好，又是闭孔结构，不吸附空气中的游离可燃物和泄漏可燃物，不足的是价格过高。而聚氨酯的导热系数较小，一般在0.02 W/(m·K)左右，和空气的导热系数接近，但其阻燃性不好。综合考虑经济效益，再结合应用实践，在-30 ℃以上的低温设备及管道采用硬质聚氨酯，在-30 ℃一下的低温设备及管道实施复合保冷，即选用泡沫玻璃作为保冷层的内层，硬质聚氨酯作为保冷层的外层的复合组合[2]。这样使得保冷效果更加稳定可靠，同时经济效益得到保障。

图1为管线泡沫玻璃保冷基本的结构示意图。

图1 管线泡沫玻璃保冷基本的结构示意图Fig.1 The basic structure diagram of the foam glass insulation for pipeline

根据地区的不同，保冷的结构及材质要求也不尽相同：对于干旱炎热的地区，空气湿度较低，所以保冷失效的进程较慢；茂名地处西南海边，周年湿度很大，常年空气湿度在80%左右，最高可以达到95%左右，因此在保冷层和保护层之间的防潮层还要加装隔气层。因为在保冷层中任意点的温度都是由表至里递减的，低温层中的空气的体积缩小，空气中水蒸气的分压力随温度降低而降低，在保冷层内外产生一个水蒸气分压力差值。如果保冷材料透气或是失效，又没有隔气层，大气中的水蒸气就会进入保冷层，并且向水蒸气分压更低的内层渗透，直到设备表面。水蒸气在低温下，逐渐冷却，并进一步结冰结露。当水变成冰后，体积变大，保冷层就会膨胀破坏使保冷失效[3]。

茂名乙烯的1#裂解装置是1996年8月建成投产的，虽然经历过几次停车大修，但装置里的保冷结构仍有一部分采用最基本的三层结构，保冷绝热效果差。而2#裂解装置是2006年9月投产的，装置设计比较合理，大多采用了隔气层，再加上2#装置的管线布局合理，空间较大，通风性比较好，所以现场1#装置的设备保冷效果不如2#装置。

1.1.2 保冷厚度设计问题

众所周知导热系数是保冷材料质量的极其关键的技术指标。如果其导热系数达不到产品指标规定的要求，那么它根据导热系数得到的保冷厚度也得不到保障。

2009年3月份，公司对化工2#裂解装置的冷箱部分管线检测发现有位于2#裂解装置东面的、与冷箱连接的28 个管段(节)的工艺管线中，只有8 个管段(即位号为P-B4004、P-B5041、P-B4005、P-B8041东、P-B8041西、RT-B6069 东、RT-B 6069西和RT-B 6025的管段)的保冷结构的表面防凝露要求和表面冷损失量是同时合格的；还有4 个管段(即P-B4023、4005、RT-B6052西和RT-B6025西等管段)的保冷结构的表面防凝露是合格的，但其表面冷损失量是不合格的；其余管段的表面防凝露要求及其的表面冷损失量均是不合格的。初步分析是管线的保冷老化失效或是保冷的厚度不足，导致冷量损失过多。而后检测发现保冷材料的导热系数高于原有设计时的导热系数，最后决定整体把原有管线的保冷厚度加厚，复测合格。

1.2 保冷选材问题

对于保冷材料，首先要满足导热系数小、机械强度高、化学性能稳定、综合经济效益低、施工方便等要求。而一些条件是必不可少的，比如：吸水吸湿性小、水蒸气透湿系数小、低温线膨胀系数小、含氧量高、阻燃性好等等，这些都是保冷材料选取的参考。对于保冷的三层结构，一般用的最多的保冷层选用的是泡沫玻璃，防潮层采用的是黑色阻燃玛蹄脂，外保护层采用铝皮。本装置区内采用的也是这种材料，总体上满足保冷需要，但部分上的保冷还是存在不足。

2009年6月22日和2009年6月25日车间对2#压缩冷箱的4条管线的保冷状况进行现场调查、观察、检查，并对其保冷的检测。结果这四条保冷管线检测不合格，后采用新型的保冷材料—福乐斯，进行观察、检测，比较。

(1)改造前后实际表面的冷损失量

如P-B4017管段(管径6”，原有的保冷结构是170 mm厚的泡沫玻璃，新的保冷结构为125 mm厚的福乐斯弹性体保冷系统，管道年运时间为8000 h，采用福乐斯低温弹性体材料对原有的保冷结构进行改造的费用按10000元/m3),根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中5.4.2-1规定[4]，按1 m管线每年运行8000 h计算如下：

Q改造前表面冷损失=39.89×3.14×(0.17×2+0.159)×8000×3.6×10-6=1.8 GJ/m

(1)

Q改造后表面冷损失=15.45×3.14×(0.125×2+0.159)×8000×3.6×10-6=0.57 GJ/m

(2)

可以节约的能耗为：ΔQ= Q改造前表面冷损失- Q改造后表面冷损失=1.8-0.57=1.23 GJ/m

(3)

冷价按200元/GJ计算：F=1.23×200=246元/m

(4)

每1 m投入的保冷材料(福乐斯)工程量为：

V=[(0.159/2+0.125)2×3.14-(0.159/2)2×3.14]×1=0.1115 m3

(6)

福乐斯材料按10000元/m3计算，每米管线的投入费用F’=0.1115×10000=1115元，投资回收期n=1115/246=4.5325年

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(2)按设计工况下的冷损失量的超标值计算

P-B4017管线的管径为6”，介质温度为设计值-145 ℃(操作值-129 ℃)，原有保冷层厚度为170 mm，换算到设计工况下的表面冷损失量的超标值为22.17 w/m3。采用新型保冷材料对原结构进行改造时的保冷层厚度为125 mm，改造新材料福乐斯的费用单价为10000元/m3，则有：

每米管长每年的节能收益=22.17×(0.159+2×0.17)×3.142×8000=273060(w)

(7)

参照广州隆鹏节能材料有限公司资料，按照1 w=3.6 kj,1 GJ=200元，则每米管长每年的节能收益为：

273060×3.6×10-6×200=196.6元

①如果全部更新管线，每米管线的节能改造费用=[(0.159+2×0.125)/2]2-[0.159/2]2×1×3.14×10000=1115元。不计银行利息，其节能改造的回收期也要6年(1115/196.6=5.67)。

②如果局部加强(厚度)，如果冷损失量≤20 w/m2的保冷结构采用25 mm；冷损失量>20 w/m2的保冷厚度采用50 mm，则改造费为：

当厚度为50 mm时的改造费用为：F2=[(0.159/2+0.17+0.05)2-(0.159/2+0.17)2]×3.14×1×10000=274.5元

基于上述情况的讨论，可以肯定的是新型材料的保冷效果好于原有的保冷材料，然而新型的保冷材料的市场价格过高，所以对于有些结构进行适当的结构改造，取得更大的效益。基于此，车间对于2#冷箱的保冷材料采取部分改造，减小冷量损失，取得生产效益的最大化。

1.3 保冷施工安装问题

施工队伍的素质和施工质量关系重大，保冷施工往往存在的问题：保冷材料缝隙太大，许多缝隙超过5 mm、搭接不错缝、零部件保冷空缺太多、防潮层厚度不够、外部保护层的衔接压缝不紧等[5]。

2013年12月2#压缩装置三元制冷压缩机CB-401出入口管线保冷更新施工中，施工队伍不按要求施工，本来计划一个月的工作量，提前10天完成，后公司检验检查发现保冷材料紧固松散，外层保护铝皮更是衔接缝隙过大。这种施工后的结果就是保温材料根本不能有效起到保冷的效果。

1.4 管理问题

装置区内的日常管理工作主要是由车间管理人员负责。因为装置区有1#装置和2#装置，整个区域过大，而负责管理人员比较少，这就导致有些工作不能按时完成或者忽略有些地方，造成了管理缺失，从而导致了一系列的后果。

例如图2中1#装置的V-690故障的原因就是管线保冷失效，而管线的位置在高处，因此未能经常性的检查管理。垂直向上管段保冷拆开后，只有防潮层+聚氨酯发泡保冷料，而且垂直管段的发泡料里面有明显的水分存在，管线表面的防腐漆已消失殆尽，管线的金属本体更是呈粉化脱落的均匀腐蚀状态，部分已经是减薄穿孔。其中管线腐蚀的原因就是保冷层的保冷效果下降，管线铝板温度低于环境的露点温度时，空气中的水蒸汽结露变成同温度下的液态水，液态水穿越了缓慢失效的防潮程进入到聚氨酯发泡保冷材料中，因工艺温度为7摄氏度，故没有形成结冰而是处于纯液相状态，在液相状态下水和溶解氧将金属涂层慢慢腐蚀，最终造成了管线腐蚀失效，发生穿孔泄漏的事故。

图2 V690腐蚀管线Fig.2 V690 corrosive pipeline

正是日常保冷管理工作的不到位，在施工阶段未能有效监控施工质量，缺少对隐蔽处的隐患排查的意识，导致一些问题没有及时发现并解决，产生了一系列的严重后果。

1.5 自然原因

茂名石化处于亚热带地区，常年高温多雨，每年的台风次数较多，而且装置内的形成酸雨的可能性大，这就导致装置冷区内的保冷结构不同程度上的遭到破坏，同时设备也受到酸腐蚀及电化学腐蚀的影响。由于自然因素的不可抗拒性，设计的一些结构可能会发生改变，这就导致保冷失效的可能性。这种情况下，唯有在日常管理上认真负责，才能及时有效的解决问题。

2 结 语

保冷工作不同于保温，在结构设计上要求合理；在选材上要求科学周密；在施工方面严格规范；在日常管理上要求精细化。唯此，才能从根本上保证保冷工程的质量，最大限度的减少冷损失量，保证企业的经济收益。