催化裂化装置故障检修及技术改造

，

(中国石油天然气股份有限公司 兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060)

中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司(简称兰州石化)300万t/a催化裂化装置2014-08大检修后不久，出现油浆泵工况异常。该油浆泵为德国鲁尔泵公司生产，其额定电流为88 A，正常运行时的电流低于80 A。自2015年年底开始，油浆泵的运行电流由78 A逐步上升至83 A，并且还在持续增长。与此同时，发现装置的催化剂跑损量明显增多，油浆中催化剂质量分数由0.2%左右上升至0.7%左右。受油浆固含量上升的影响，油浆泵停用并于2015-12、2016-04、2016-08开泵检修，采用激光熔覆技术修理了磨损严重的泵体。修理油浆泵期间，油浆泵长期处于无备用泵状态。针对油浆泵状况，车间采取了降低预提升蒸汽用量和急冷水用量、降低沉降器料位和顶旋翼阀下部的汽提蒸汽用量、降低旋流式快分系统(VQS)线速、增加新鲜催化剂和平衡剂的磨损指数的监控等工艺调整措施。但经过一段时间的观察调整，发现催化剂磨损指数在正常范围内，但是油浆中固含量和油浆泵运行电流没有明显下降。

文中分析了油浆泵出现异常的原因，介绍了检修过程中发现的VQS系统、反应再生系统及其他部位故障，以及对故障的分析和修复情况[1]。

1 油浆泵故障技术分析

在出现油浆固含量上升、油浆泵电流升高等异常现象之后，从减少高温催化剂热崩、防止顶旋催化剂倒流、提高VQS和顶旋的分离效率等方面采取了相应的工艺调整措施。在油浆泵运行一段时间后发现，虽然催化剂的磨损指数在正常范围内，但油浆中固含量和油浆泵的操作电流没有明显下降。这些情况表明，油浆泵故障的根源不在工艺设计，更可能是设备出了问题。

根据日常检测到的油浆中催化剂含量上升情况和开泵检修观察到的泵体磨损情况可以判断，有过量的催化剂进入了油浆运行系统中，催化裂化装置的实际运行状况也印证了这一论断。根据车间的生产记录，自2016-03月底起，其他跑损量显著增多，系统催化剂藏量难以维持，连续二十多天未进行卸剂操作，而余热锅炉受热面积灰速度和烟气脱硫装置废渣产生速度提升不明显，说明跑损催化剂去向大部分为油浆系统[2]。

2014-08该装置大检修时发现一处VQS旋流臂磨损严重，出现穿孔，其余部分局部出现衬里破损、脱落等问题。当时因工期等问题只是对旋流臂破损部位进行钢板补焊，对衬里进行局部修复，对磨损沉降器翼阀进行更换[3]。结合2014年检修情况，说明大量催化剂跑损至油浆系统与沉降器VQS出现故障有较大关系。

2 沉降器VQS检查及修复

2.1 VQS介绍

兰州石化300万t/a催化裂化装置由中石化北京设计院设计，于2003-07-01正式开工。沉降器提升管出口采用VQS+单级旋分形式。VQS是石油大学的专利产品，由旋流快分头、封闭罩、直联升气管、预汽提段等组成[4]。VQS系统结构示图见图1，三臂旋流快分头结构示图见图2。

图1 VQS结构示图

图2 三臂旋流快分头结构示图

VQS系统工作时，混合的催化剂与裂化油气在提升管顶部经三臂旋流头快分后(线速约16 m/s)，斜向20°沿封闭罩内旋转，在封闭罩中心形成负压区，因油气密度小，故携带少量催化剂的绝大部分裂化油气折而向上与来自沉降器汽提段的汽提蒸汽汇合，经过封闭罩上的直联升气管进入沉降器单级高效旋风分离器，靠离心力的作用，使油气与催化剂得到分离，带有微量催化剂的油气进入分馏塔。封闭罩内夹带少量油气的催化剂向下旋转约4 m，遇到防涡板(第1块预汽提挡板)后迅速终止旋转，开始均匀向下流动，经过3层预提挡板与来自汽提段的汽提蒸汽逆向接触，将其颗粒之间和微孔内大部分油气汽提出来，然后与旋风分离器分离出来的催化剂汇合进入沉降器汽提段，再经过6层高效汽提挡板与二级汽提蒸汽逆向接触，进一步分离出催化剂中夹带的油气。

VQS能使油气与催化剂得到快速分离，减少二次反应。沉降器内油气被快速引出，停留时间大幅缩短，减少了沉降器内的结焦。催化剂汽提效果好，增加了轻质油收率[5]。

2.2 VQS常见故障

沉降器VQS工作时以旋流快分为特征，旋流快分属于惯性分离，正常工作中可以快速分离催化剂和油气，使60%～80%的固体颗粒沉降下来，能有效减少结焦，并为顶部旋风分离器减轻分离负荷，提高其分离效率。VQS常见故障包括旋流臂变形、旋流臂破损和旋流快分头损坏[6]。

VQS旋流臂有变形时，会导致快分旋流流场方向发生变化，造成内外涡流运动破坏，外涡流向下运动不到位，使内涡流携带固体颗粒进入顶部旋风分离器。VQS旋流臂破损时，会导致部分油气和催化剂未经过旋流头分离而出现短路。旋流臂破损还会造成出口面积变大，出口线速度降低，在设定的范围边缘与超出范围出现跑剂，即油气携带固体颗粒现象。旋流快分头损坏后，不仅会增加沉降器顶部、油气管线的结焦速率，还直接增大了顶部旋风分离器的分离负荷，使顶部旋风分离器的分离效率大幅下降，增加了顶部旋风分离器底部翼阀的开关频率，加快了翼阀磨损的速率[5]。

2.3 VQS检修情况

2016-08催化裂化装置停工时对沉降器VQS展开检查，发现的旋流臂顶部及侧壁局部破损情况分别见图3～图5。

图3 VQS旋流臂顶部破损情况(一)

现场可以观察到，VQS的3个旋流臂损坏情况比预计的更为严重，旋流头、3个旋流臂均有不同程度的破损。经过测量，旋流臂最大破口尺寸为(长度×宽度)350 mm×300 mm，旋流臂龟甲网衬里有掀开的裂缝，旋流臂入口、封闭罩内壁有大面积衬里发生破损。

图4 VQS旋流臂顶部破损情况(二)

图5 VQS旋流臂侧壁破损情况

2.4 VQS修复方案

VQS修复存在较多的实际困难，例如空间狭小、施工环境恶劣、旋流臂修复空间角度无法在现场准确确定等客观因素，以及衬里修复不能保证长久运行等主观认识。经认真研讨后决定，首先利用图样数据建立VQS立体模拟图。设备打开后，对VQS多点进行数据实测，并据此对VQS立体图进行修订。同时，充分考虑施工中能进入沉降器封闭罩内的最大通道尺寸和材料尺寸，避免修复材料的切割过小、修复焊口过多以及易变形等问题。根据破损部位坐标，利用VQS立体图参数进行钢板预制，选取最合理下料尺寸，将该下料尺寸与现场破损切割部位进行核实、修订，确保接缝处各项性能指标达到焊接工艺要求。修复时沿流道由内向外修复破损的旋流头器壁，保证焊接后流道内壁平整、弧形曲度未发生变形。

检修时还发现，现场衬里破损情况较为严重。为避免衬里修补过多、新旧衬里搭接处理不好、易脱落等问题，决定将VQS的3个旋流臂快分头及顶部衬里拆除，以保证衬里施工质量。壁板修复完成后，在流道内壁按照要求焊接好龟甲网，制作20 mm厚度的AA级刚玉耐磨衬里，养护72 h以上，随开工进行衬里烘干烧结。

2.5 VQS修复施工

VQS三臂旋流快分头材质为16MnR，入口尺寸(长度×宽度)544 mm×1 339 mm，壁厚18 mm。根据实际破损情况，对三臂旋流快分头内部衬里、旋流快分头入口筒体下方3 m至顶封头处的衬里进行拆除。共计拆除衬里近40 m2，修补VQS三臂旋流快分头3.3 m2(共用去500 mm× 500 mm× 8 mm的壁板6块，500 mm × 200 mm × 18 mm的壁板18块)，使用龟甲网35 m2、异形部位使用侧拉环2 500个。

施工过程中，为了保证安装方便并能使修复壁板很好地固定在修复位置，在旋流头壁板切除后增加了在其洞口四周点焊挡板以及在修复壁板四周同样点焊挡板的保障措施。焊接龟甲网时，严格保证与壁板的贴合度[7]及焊接质量[8]。因VQS属于塔套塔结构，施工空间小、通风不畅、焦粉弥漫，施工环境非常恶劣，在拆除过程中，利用两把风镐，采用左右夹击、上下推打、顶部合围的拆除法。在恢复衬里时，还要特别注意合理优化施工工序，以保障衬里料质量，克服沉降器空间狭小、衬里料运输困难及凝固速度快等问题[9]。

3 其他故障及其修复

VQS修复时，对检修过程中同时发现的和以往检修未能彻底解决的反应再生系统故障，也实施了必要的零部件更换和改造。

3.1 汽提段挡板更换

汽提挡板(共6层)位于沉降器底部，实施更换操作困难。采用从集气室下切割沉降器顶部并从顶部整体提吊方法更换汽提挡板有检修空间大、利于人员施工、能保障施工质量等优点，但是前期拆除及后期恢复工作量大，维修成本高，备件采购、现场检修周期长，材料、施工费预计需要1 300万元。生产部门经过整体物料平衡计算后确认，该方案施工周期不能满足生产整体平衡，因此整体更换从施工周期及施工费用上都不是最优化方案。

经综合考虑，决定本次检修不打开沉降器顶部，而是根据汽提挡板的尺寸及汽提段内部拆除、安装所需的材料进出尺寸，采用电脑模拟推演的方法确定了在沉降器标高12.3 m汽提挡板处开高1.5 m、宽2.5 m的检修门，外部搭设检修平台进行施工的更换方案。同时，要求汽提挡板制造厂家按照3段进行挡板产品的供应，施工单位在现场进行分段安装，检修完成后对检修门进行焊接恢复[10]。

3.2 半再生下斜管热点部位结构与衬里改造

半再生下斜管过热点是该车间自建成投产以来最棘手的过热常态点，下斜管外壁每次出现过热都需要外包几十平方米“盒子”，多次检修更换都未能彻底解决。

本次检修时，该车间通过计算膨胀系数和热膨胀趋势，判定该热点长期未能根本消除主要由下斜管拐弯位置夹套结构的设计不合理所致。按照原设计，半再生下斜管拐弯处夹套连接方式为内填陶纤棉、外部夹套钢板全焊接。此种连接结构受热后由于夹套钢板无膨胀伸缩空间，焊口就会发生变形破裂。高温催化剂和烟气从破裂处进入夹套内部后，由于陶纤棉隔热能力有限，加之高温催化剂的磨蚀，就会出现过热点。

在本次检修中该车间对结构进行改造，将以前的夹套式过渡段焊接由全焊接方式改为支撑板结构固定端焊接方式，并根据热膨胀趋势，焊接固定一端，其它部位保持为自由端，这样可以保证热态下夹套不变形。同时将此部位的分段式衬里结构改为整体衬里，厂房内烘干烧结，现场焊接后再修补处理预留缝，从而彻底解决了过热点问题。自2016-08开工以来，经过多次红外线检测均未发现过热点部位，器壁温度保持在170 ℃左右的正常壁温。

3.3 溢流斗固定结构改造

第二再生器溢流斗在多次检修时均出现倒塌，其器壁上的4个固定吊耳也多次出现断裂、甚至掉落卡在再生滑阀阀道的情况。为此，该车间决定更改溢流斗的固定结构。在溢流斗顶部和第二再生器器壁间焊接了4对吊耳，每只吊耳上开有约100 mm的长槽，每对吊耳之间用Ø108 mm×6 mm的0Cr18Ni9Ti管材连接，两端用螺栓与长槽固定，保持一定自由度，既可加固溢流斗，又可保证受热膨胀时有活动的余地。

3.4 提升管衬里植筋技术修复

反应再生系统衬里修复是本次检修的重点，再生器、沉降器以及提升管衬里破损严重，设备多处出现过热点，拆除过程中发现保温衬里部位保温钉全部烧损碳化并大量脱落，龟甲网烧损脱落，修复中新的保温钉无法生根焊接，大量油和焦子浸入衬里，无法焊接，大面积拆除会严重损坏龟甲网结构的保温衬里整体性。通过查资料，受混凝土植筋技术的启发，采用在隔热衬里中钻孔,用植筋胶固定埋植侧拉环技术修复衬里，经过试验和拉伸核算，能满足要求，解决了衬里的修复难题[11-12]。

3.5 翼阀更换和角度修正

因为VQS发生故障，沉降器顶部旋风分离器翼阀开关动作异常频繁，打开检查发现6台DN350 mm翼阀阀板都出现不同程度磨损穿孔，本次检修对翼阀进行全部更换。

在更换操作过程中，严格按照翼阀开启角度为3°～8°的标准进行验收[13-14]。在此基础上，按照设计要求及装置实际情况，通过静态、动态[15]复核试验双重确认实际开启角度，采用水刀技术进行阀板取重，使翼阀开启角度控制在最佳操作要求的4.5°～6°[16-17]。

使用新更换的翼阀之后，再生烟气中催化剂细粉量大幅降低，细粉拉运量由128.06 t /月下降到了37.50 t /月，比检修前降低90.56 t/月。锅炉的运行工况得到极大的改善，自2016-09-28重新开工以来，锅炉未进行过停炉清灰工作，而且运行正常。催化剂单耗由1.71 kg/t降到1.64 kg/t，比检修前降低0.07 kg/t。

4 检修效果

自2016-09催化裂化装置重新开工以来，油浆泵油浆固含量一直在0.2%的正常水平以下，油浆泵运行平稳，电流值在80 A以下，装置未出现过热点。装置目标产品液体收率得到提高，检修前(2015-01～2016-06)产品液体收率平均值为84.67%，检修后(2016-09～2017-06)产品液体收率平均值为86.52%，比检修前增加1.85个百分点。其中液态烃收率比检修前增加1.69%，汽油收率比检修前增加2.08%，柴油收率减少2.23%，催化剂单耗略有降低。由此证明，本次大检修对VQS在线修复及其它故障问题的更换和改造取得成功。