催化汽油吸附脱硫装置反应器气相返回线腐蚀与防护

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(中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东 青岛 266500)

S Zorb装置基于吸附剂吸附原理降低汽油硫含量，已经成为炼油企业的关键装置。中国石化自2007年第一套S Zorb装置建成投产以来，不断改进技术，进行升级换代。目前新建装置已按第3代技术实施，设置了反应器气相返回线，解决了装置转剂困难及再生转剂系统的管线冲蚀泄漏等问题,但第3代装置出现反应器气相返回吸附剂管线泄漏情况。以中国石化第3代技术实施生产的某公司S Zorb装置为例，就其反应器气相返回管线发生泄漏，分析了泄漏原因，提出改进措施。

1 情况简介

某公司1.5 Mt/a S Zorb装置由进料与脱硫反应、吸附剂再生、吸附剂循环和产品稳定四个部分组成。在反应器中吸附剂吸附原料中的硫组分，通过再生、还原后重新进入反应器吸附，形成吸附剂循环。循环的动力来源于循环系统中的设备压差以及气相携带。在吸附剂循环系统中不可避免发生气固混合物对管线的冲刷腐蚀，造成管线的冲蚀泄漏，尤以反应器气相返回线受冲蚀影响最为严重。

该装置于2015年9月投产，连续运行至2016年10月，位于反应器与接收器之间的反应器气相返回线弯管发生第一次泄漏，并在后续10 d内位于同一管段上的其他2个弯管部位相继发生泄漏。

2 失效分析

2.1 泄漏管线

泄漏管线为反应器接收器(D105)顶部气相返回反应器(R101)的气相返回线，主要用于调整反应器和接收器之间的压差，便于吸附剂顺利自反应器向接收器转剂，并通过设置于接收器底部锥段的提升氢气，脱出吸附剂中的油气和细粉尘返回反应器，管线内介质为氢气、油气和吸附剂。

气相返回线参数见表1。

表1 气相返回线参数

气相返回线设计采用了长半径弯管，从下到上分布了4个45°,弯曲半径R为弯管直径D8倍的长半径弯管；1个90°,弯曲半径R为弯管直径D5倍的长半径弯管，弯管和直管之间通过自紧式活套法兰进行连接。布置情况见图1。

2016年10月20日，气相返回线2号45°弯管发生泄漏，随后在10月27日和29日分别在1号45°弯管和90°弯管处相继发生泄漏。

图1 气相返回线弯管情况

2.2 失效部位

失效部位及形貌见图2。由图2可以看出，失效部位位于长半径弯管外弯，呈冲蚀坑洞形状，母材周边部位没有裂纹；失效部位内部弯管处呈沟槽状冲蚀；泄漏部位全部位于弯管段外弯部位，直管段及弯管内弯部位没有冲蚀。

图2 气相返回线失效部位

2.3 测厚分析

该气相返回线在发生泄漏之前一直实施单点测厚，测厚数据没有显示出明显减薄迹象，但实际已有减薄，说明前期的测厚存在一定问题。该管线泄漏之后，对5个弯管进行了密集测厚，图3为5个弯管的密集测厚数据比较。从图3可以看出：①按管内介质流动方向来看，45°1号弯管的冲刷减薄相对其他45°弯管要较为明显。 ②90°弯管虽然位于最后部位，但由于弧度较小，受冲刷腐蚀较为明显，超过45°1号弯管的减薄量。 ③弯管的侧外弯相对于正外弯部位减薄量较小，但也存在不同程度的减薄。 ④弯管的内弯和直管部位基本没有减薄。⑤泄漏部位并不一定处于外弯正中线，受内部介质流动不规则或管线材质某处特定缺陷的影响，泄漏部位可能位于外弯中心线的左右两侧，但基本位于外弯中心线两侧70°范围内，不超出外弯中心线两侧90°范围。⑥该次密集测厚还对装置内其他气相携带吸附剂管线进行了全部密集测厚，未发现有明显减薄。

图3 弯管测厚数据

2.4 失效原因

2.4.1 失效机理

固体颗粒通过气力在管道中输送，当颗粒硬度比较大时，气-固两相流中的颗粒会对管路造成巨大的冲蚀，不仅降低生产效率，而且对施工环境和人员造成威胁[1]。冲蚀广泛存在于石油化工、航空航天和能源机械等领域，是导致材料破坏甚至设备失效的主要原因之一[2]。弯管用来改变管道内流体的方向，相对于直管，弯管比直管磨损率高50倍以上[3]。固体颗粒在弯管内的轨迹是先汇集后发散的过程。固体颗粒在管道内经过气流携带加速，在弯管变径处对管道内壁形成冲击磨损，并受内壁反作用力形成反弹，颗粒与颗粒之间也发生碰撞，并与管道内壁发生后续碰撞。固体颗粒与管道内壁接触频繁的地方即为冲蚀最严重的地方。

图4为失效90°弯管内部弧段图。由图4可以看出,冲蚀部位情况与失效机理相符，分布于弯管外弯弧变部位，并且由于固体颗粒的碰撞反弹，冲蚀部位呈一定区域性分布，基本位于外弯轴向中心线两侧70°范围内，不超出外弯轴向中心线两侧90°范围。

2.4.2 气速和吸附剂粒径的交叉影响

研究表明，当颗粒粒径小于45 μm时，气流速度对最大磨蚀率没有明显影响；当颗粒粒径大于45 μm时，气流速度对最大磨蚀率的影响更为显著。

图4 90°弯管内部弧段冲蚀分布

气流速度V与最大磨蚀速率Emax接近二次多项式关系:

Emax=aV2+bV+c(a,b,c为大于0的常数)

当颗粒粒径在10～100 μm时，磨蚀率随着颗粒气速的增大而增大；随着颗粒粒径的变化，在粒径45 μm处出现峰值，而且气速越大，趋势越明显[4]。

失效弯管泄漏前气速维持在1 400 m3/h，颗粒粒径组成见表2。由表2可知,粒径主要集中在40 μm之上。较大的气速，合适的粒径，使得固体颗粒在管道内具有较高的动能，对管壁的冲蚀速率也大大加快，造成管线在较短时间内发生穿孔泄漏。

表2 吸附剂颗粒粒径

2.4.3 弯径比

传统气力输送理论认为物料在弯管内贴管道外侧内壁流动，曲率越大就愈接近于直管输送，相应磨损也应愈小，这也是普遍选用大曲率半径弯管，即曲率半径R与管道内径D之比为5～15的主要原因。

研究表明，管道内的物料冲击会加剧物料破碎，能量消耗，并随着R/D比值的增大，冲击点加多，能量消耗也愈大，弯管处会显示出凹坑[5]。

本次失效的管线由4个R=8D长半径弯管和1个R=5D长半径弯管及相应直管段组成，弯径比相对较大，但由图2及图4即可看出，管线弯管部位受冲蚀比较严重，失效部位形貌呈沟槽及坑洞状，失效部位分布在外弯中心线两侧90°范围内，可见大弯径比并不能有效降低冲刷磨损。

2.4.4 测厚偏差

失效管线弯管为R=8D和R=5D的长半径弯管，由于气-固两相流在管道内局部流动不确定性，可能在某一特定点形成湍流，造成局部某点腐蚀减薄严重。前期定点测厚方法测量为一弯一点，测量数据明显不够，测量范围相对狭小，不能准确地测到最薄点，对冲蚀减薄分析有偏差。

2.5 改进措施

2.5.1 弯管改造

考虑到失效弯管仅外弯部位受冲蚀影响较大，对于泄漏弯管的改造采用了一种有效而且简易可行的方法：选用与原弯管同等规格的P11弯管段，沿纵向中心线剖开，选用外半弯，两端用P11板材封堵，内部密集填充刚玉料，炉内烧结后沿工艺弯管外弯施焊，在外弯部位形成外保护半套管，实现了三重保护，大大增加了弯管的使用寿命，而且该方法实施简易，经济性好，也方便对弯管的后期运行情况进行检测(见图5)。

图5 弯管改造示意

图6为实施外保护半套管运行1 a后的红外检测图。从图6可以看出，弯管运行状态良好，没有发生管道的冲蚀泄漏。

2.5.2 降低气速

在吸附剂管径一定的情况下，降低接收器中的氢气提升量，降低气相返回线的气速，能够降低吸附剂颗粒对弯管的磨损，延长运行时间。失效弯管泄漏前气量维持在1 400 m3/h，泄漏后降低至800 m3/h，磨蚀速率降低2～4倍。但提升氢气量降低太多，会影响接受器中吸附剂的流化状态，也不易充分脱出吸附剂从反应器中携带过来的油气和细粉尘，对后续的再生转剂系统设备、仪表、程控阀门产生堵塞、磨损，同样降低装置的运行安全性，缩短运行周期，所以降低管道内气量应当适度。目前装置设定的气相返回线管内气量维持在900～1 000 m3/h，经过1 a的观测，运行情况良好。

图6 弯管红外检测图

2.5.3 增大管径

增大管径，能够提升吸附剂在弯管内的运行空间，降低吸附剂之间的碰撞动能，延缓对弯管的冲蚀。失效管线管径设计为DN100，经设计单位核算，后期拟将失效管段管径调整为DN150,将在一定程度上延长管道的运行周期。

3 结 语

新一代S Zorb装置反应器气相返回线的冲蚀泄漏危险性较大，泄漏现象普遍，通过简单的定点测厚不能够及时准确地实现对减薄部位的检测。通过对失效机理分析，结合现场实际，提出一种增加带耐磨内衬的外保护半套管的改造措施，并提出通过适当降低气量、增大管径的方式延缓对弯管的冲蚀，延长管道的使用寿命。

[1] MAZUMDER Q H,SIAMACK A S,MCLAURY B S.Prediction of Solid Particle Erosive Wear of Elbows in Multiphase Annular Flow-model Development and Experiment Validations[J].Journal of Energy Resources Technology,2008,130(2):1-10．

[2] 中国腐蚀与防护协会.金属腐蚀手册[M].上海:上海科学技术出版社,1987:96-101．

[3] 杨建胜，罗坤，王则力．煤粉颗粒对管道壁面磨损的数值模拟研究[J]．能源工程，2010(4):1-4．

[4] 宋金仓,张明星,林兆沅,等．基于计算流体动力学的颗粒磨蚀管道弯头研究[J].中国粉体技术,2016,22(1):1-5．

[5] 马正先.气力输送系统的弯头结构形式及合理选用[J].起重机械,1996(6):7-10．