乙烯装置腐蚀安全状况分析及开展RAM评价必要性

许述剑，刘小辉，邱志刚，方 煜

(中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

乙烯装置腐蚀安全状况分析及开展RAM评价必要性

许述剑，刘小辉，邱志刚，方 煜

(中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

分析表明随着加工原油的重质化、劣质化，乙烯原料也呈现劣质化趋势，腐蚀、结垢、泄漏及老化等诸多问题是影响乙烯裂解装置长周期安全运行的主要因素，提出在乙烯裂解装置开展基于经济分析的RAM系统评价，量化风险大小，并提出检维修优化措施。

乙烯裂解装置 腐蚀 安全状况RAM评价

大型乙烯裂解装置长周期运行具有非常重要的经济意义，以400 kt/a乙烯装置为例，6年一修与2年一修相比装置效益增加4亿元左右[1]。因此，乙烯生产企业在维持现有的能耗和安全操作的同时，应当努力寻找防腐蚀与长周期安全运行的新方法和措施。

随着加工原油的重质化、劣质化，乙烯原料也呈现劣质化趋势，对装置运行带来了挑战，例如：综合能耗、双烯收率等技术经济指标下滑，裂解炉炉管焊缝腐蚀穿漏，急冷油出现分层现象及碱洗塔操作波动等[2]。对2012年全球发生的炼油与化工事故从事故时间、事故类型、事故装置、事故工艺等统计分析，表明乙烯裂解装置是化工装置中发生事故最多的装置[3]，可见，乙烯裂解装置存在设备和管线及阀门的腐蚀、结垢、泄漏、老化等诸多问题，影响了装置的长周期安全运行。

1 主要腐蚀现象

a)裂解炉辐射段炉管的渗碳和开裂，以及低温段弯头焊缝腐蚀泄漏。经验表明，炉管损坏的主要原因不是蠕变损坏，而是炉管内侧渗碳，引起金属体积膨胀，增大炉管外侧(未渗碳层)的拉应力，造成渗碳与未渗碳界面上轴向晶间开裂[4]。因此，今后重点开展炉管渗碳和开裂问题的研究，完善渗碳检测技术、建立判废标准。此外，加工加氢裂化尾油在炉管低温焊缝处发生热化学腐蚀，原料中Ni与S发生反应形成Ni3S2共晶体(融点为645 ℃)，恰好与穿孔部分温度相符，融化物被高速裂解气体不断冲走，发生焊缝穿漏现象[2]，腐蚀机理有待进一步研究。

b)稀释蒸汽发生系统经常发生腐蚀。裂解原料中含有有机硫化物，裂解过程中副产二氧化碳和碳四酸性物质，稀释蒸汽冷凝后，在预热系统产生强烈酸腐蚀。沉积物中的硫化物也会产生腐蚀[4]。

c)毫秒炉透平机的复水器铜管经常发生腐蚀穿孔及明显缝隙腐蚀凹槽现象。由于复水器列管穿孔断裂，破坏了透平系统的静负压，造成透平机组工作不稳定,给生产带来很大的损失[4]。

d)裂解气压缩机系统腐蚀。为防止设备结垢需向裂解气中喷入适量的水，再通过段间设备进行脱出，在有水存在的系统中有机酸和无机酸对设备的腐蚀较大[5]。存在裂解气侧乙酸、丙酸、湿H2S腐蚀，裂解气侧相变的加速腐蚀，循环水侧氧的去极化腐蚀、管程内粘泥沉积导致Cl-富集形成孔蚀和管程内硫酸盐还原菌的腐蚀等。

2 安全运行影响因素

2.1 结垢堵塞问题

a)炉管结焦是乙烯生产过程中最严重的问题之一[6]，裂解过程中的结焦问题直接关系到乙烯的收率和生产周期的长短。炉管结焦不仅影响传热效果和产物收率，还会使管壁的温度升高、压降增大，增加提高反应能耗，结焦严重时还能堵塞炉管，迫使停工清焦，缩短了生产周期。而频繁的清焦又会影响炉管的寿命，增加生产成本。更为严重的是结焦还会造成许多部位的不均匀性加热，使炉管膨胀弯曲，甚至爆管。

b)部分循环水换热器堵塞严重。堵塞原因有：①循环水场为开放式，会有部分杂物进入到运行的水系统；②冬季环境温度较低，凉水塔内部结冰，造成填料破损，化冻后带入系统；③循环水泵入口过滤网使用效果不理想，在使用或切换时存在杂物穿透问题。

2.2 泄漏问题

a)蒸汽凝液管线弯头泄漏。随运行年数的增加，蒸汽凝液管线弯头泄漏数量明显增加，其中以低压、中压蒸汽凝液为主，特别是中压蒸汽凝液管线，出现了整条主管线弯头几乎全部泄漏的状况[7]。原因主要有：①凝液系统弯头经长时间冲刷，管壁减薄，耐压能力下降，系统压力出现波动时，极易出现泄漏；②伴热系统疏水器疏水效果变差，蒸汽泄漏到凝液中造成凝液带汽，在弯头处冲刷力增大，造成管线冲刷减薄，造成泄漏。

b)冷箱泄漏。低压脱乙烷塔顶碳二与丙烯冷剂换热内漏[7]。出现泄漏的原因有：①冷箱的冷物料为丙烯冷剂，对冷剂罐液未严格要求，致使冷剂罐液位变化较大，经常出现空罐，导致设备温差变化较大，对设备损坏较大；②装置波动造成断料，塔底再沸调整不及时导致塔顶温度快速上涨，冷箱温升速度过大，设备受损，致其内漏。

c)冷却水换热器泄漏。部分循环水换热器泄漏严重，主要有急冷水冷却器、乙烯压缩机段间冷却器、丙烯制冷压缩机出口冷却器、丙烯精馏塔顶冷却器等水冷器存在大面积泄漏问题[7]。

2.3 老化、失效及缺陷等问题

a)裂解气压缩机部件磨损老化。大检修期间对裂解气压缩机转子进行检查，经常会发现高压缸、中压缸转子疏齿密封磨损较严重。造成转子磨损的原因可能有：①装置长时间连续运转，机组部件老化，密封件长时间作用下磨损较多；②裂解气组分变化，裂解气中的不饱和组分、杂质较多时，压缩过程中会在壳体、隔板、流道等处凝结或聚合从而产生附着，长时间累积、增厚，造成转子运转时有摩擦，造成密封磨损；③压缩阻聚剂注入量存在偏差，助剂泵故障较为频繁，只能中断阻聚剂注入，也是聚合物生成量多的原因之一[7]。

b)裂解炉管失效。中国石化10家乙烯企业乙烯裂解炉管使用情况调研表明[8]，导致乙烯裂解炉管失效的主要原因是渗碳，炉管失效是由炉型结构、裂解原料、炉管、炉管焊接件与静态浇铸件质量、生产运行中的问题以及安装等多种因素导致的，凸显乙烯裂解炉管使用寿命短的严峻问题[9]。

c)余热回收系统的缺陷。余热回收系统，可能存在的问题主要有：①锅筒、主蒸汽管安全阀排汽管的底部疏水管均未接至安全地点，部分锅炉锅筒安全阀排汽管底部疏水管装设阀门，锅炉安全阀校验后未立即进行铅封；②锅炉范围内汽水管道疏水截止阀、放水阀出口法兰均采用法兰盖密封，管道疏放水管未接至安全地点；③废热锅炉部分换热管内壁结焦、堵塞，换热效果降低；④锅筒内直读水位计汽连接管、连续排污管焊缝处管孔内有较高焊瘤，焊缝外观质量差；⑤锅筒内给水管弯头上、下端法兰部分连接螺栓松动致使部分螺栓螺母脱落，连续排污法兰部分连接螺栓松动；⑥减温器喷水装置法兰部分连接螺栓未旋出螺母平面；⑦一级减温器内表面和二级减温器内表面大面积结垢，一级减温器筒体西北侧距三通上端对接焊缝、二级减温器筒体西北侧距三通上端对接焊缝均存在吹损减薄现象；⑧过热器联络管弹簧吊架吊杆偏斜，花兰螺母弯曲变形严重等。

3 小结

随着加工原油的重质化、劣质化，乙烯原料也呈现劣质化趋势，使得装置的设备、管线及阀门普遍存在腐蚀、结垢、泄漏、老化等诸多问题，影响了装置的长周期安全运行，甚至造成乙烯装置频繁发生事故，成为生产装置中事故最多的部位。

a)主要腐蚀现象有：裂解炉辐射段炉管的渗碳和开裂，以及低温段弯头焊缝腐蚀泄漏；稀释蒸汽发生系统的腐蚀；毫秒炉透平机复水器铜管的腐蚀穿孔及缝隙腐蚀；裂解气压缩机系统的腐蚀等。

b)主要安全影响因素有：炉管结焦和部分循环水换热器堵塞；冷箱、蒸汽凝液管线及冷却水换热器泄漏；裂解气压缩机部件磨损老化、裂解炉管失效及余热回收系统的缺陷等。

4 开展RAM评价的必要性

针对乙烯装置存在的问题，开展系统可靠性、可维护性及可利用性评价，探索影响装置长周期安全运行的主要失效模式及其发生概率，量化存在的风险和经济成本损失的大小等，从而优化装置检修和维护策略，无疑是必要的。

a)可靠性(Reliability)、可利用性(Availability)和可维护性(Maintainability)简称RAM。可靠性重要表征参数是平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure，MTBF)。可维护性重要表征参数是平均维护时间(Mean Time To Repair，MTTR)。常用的维护方案：修正性维修(设备意外故障后)、预防性维护(PM，基于特定的时间间隔)、基于设备状况的维护(CBM，对设备状况进行实时监控或周期性检测)。可利用性指总时间跨度内正常工作时间的百分比。运行时间受可靠性影响，停工时间受可维护性影响，因此可靠性及可维护性决定可用性。

b)基于经济分析的RAM系统评价，包括系统整体可靠性、可利用性、经济损失、影响系统寿命及经济表现的关键设备等量化分析，可得到装置无故障安全运行概率、装置正常有效工作时间的百分比、影响装置长周期安全运行的主要失效模式及概率、影响装置经济损失的关键设备并量化损失的大小、影响装置系统寿命及经济效益的关键设备等，针对关键设备，提出大检修和日常维护修理的建议，确定较高效益的投资改造方案，来降低失效风险和提高装置系统的可利用性等。

RAM评价可以通过系统的可靠性、可维护性及可利用性，量化存在的风险和经济成本损失的大小，提出乙烯裂解装置最佳的设备维护和检修方案，寻求最优生命周期成本的设备管理方案，减少因设备故障带来的经济损失，实现乙烯裂解装置长周期安全运行，为企业带来显著经济效益。

[1] 李立新,张恒珍,张永新.乙烯装置长周期运行技术应用与进展评述[J].化工进展,2005,24(8):845-848.

[2] 张利军.乙烯装置运行优化对策[J].石油化工技术与经济，2008,24(6):1-5.

[3] 卢均臣,王延平,袁纪武,等.2012年全球炼油与化工事故统计分析[J].安全、健康和环境,2014,14(2):5-8.

[4] 雷林海.中石化部分企业化工装置腐蚀情况调查报告(1)[J].石油化工腐蚀与防护,1993,2：7-10.

[5] 吴海东,陈立峰,王琳琳.裂解气压缩机系统腐蚀原因分析[J].炼油与化工,2012(4)：29.

[6] 张翠翠,李斌,时维振. 乙烯裂解的结焦及抑制[J]. 山东化工,2009,38(7): 40-42.

[7] 石俊学,冯利,刘玉东,等.乙烯装置四年一修运行及检修效果分析[J].乙烯工业，2013,25(3)：44.

[8] 郑显伟.我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况[J].CPVT,2013,30(5)：45.

[9] 廖文胜,詹少卿.裂解炉单元火灾爆炸危险性合析[J].乙烯工业,2004,16(4)：47.

EthyleneUnitCorrosionSafetyAnalysisandNecessitytoCarryOutRAMEvaluation

Xu Shujian，Liu Xiaohui，Qiu Zhigang，Fang Yu

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao,266071)

Through the research of ethylene cracking unit corrosion and safety running status analysis, it shows that as the processing of crude oil heavy inferior, ethylene raw material also presents the bad trend of ethylene raw material, corrosion, scale, leaks and aging and many other issues which are the main factors influencing the unit safe operation for a long period of time. It even cause lots of frequent accidents, and became the top accidents unit in the chemical plant. Therefore, the proposed RAM evaluation based on economic analysis in the ethylene cracker system to quantify risk, and maintenance measures is presented in this paper.

ethylene cracker unit; corrosion; safety evaluation; RAM

2015-07-02

许述剑，高级工程师，博士，2008年毕业于中国石油大学(北京)化工材料专业，长期从事炼化设备安全技术研究。