炼油装置典型设备故障分析

2023-01-15王建军

石油化工设备技术 2023年1期

邓斌，任刚，王建军

(1.中国石油化工股份有限公司长岭分公司，湖南岳阳 414012；2. 中国石油化工集团有限公司，北京 100728)

近年来，我国炼油装置长周期运行水平不断提高，实现“四年一修”的炼油装置占到了65%左右，部分企业已经开始向“五年一修”迈进。随着炼化企业设备完整性管理体系的建设，设备管理更加体系化、系统化和信息化，设备管理已从传统的经验管理向科学管理转变，预防性维修策略的全面实施，以可靠性为基础的维修方法，极大减少了设备突发事故的发生，导致装置非计划停工或局部停工的设备事故大幅度减少【1】。2019～2021年某大型石化集团公司11大类500余套炼油主体装置，3年内共发生影响生产的设备故障166起，与前一个3年相比降低比例超过43%，装置可靠度指数达到了97.22%。本文针对这166起设备故障进行分析，找出规律，提出了进一步提升设备运行可靠度和减少装置故障率的建议【2-4】。

1 故障时间分布

1.1 年度分布

从近3年发生设备故障的次数看，每年故障次数总体保持平稳，但是引起装置非计划停工的次数，2019年明显高于后两年，这主要与近两年炼油企业全面推行设备完整性管理体系、完善设备预防性维修和定时性工作，以及推广涡流扫查和定力矩紧固等新技术后，设备可靠性得到提升有关。此外，还与装置运行周期有关。2019年停工大修的装置有186套，2020和2021年分别为244和223套，这是因为2019年处于装置运行周期末期的装置较多，装置抗运行波动能力下降，而同等强度的设备故障在运行末期更容易引起装置非计划停工。

三年故障的分布见表1。

表1 故障的年度分布

1.2 季度分布

故障数量和动、静、电气、仪控设备故障类别的季度分布如图1所示。从图1可以看出：一、四季度故障次数67起，明显少于二、三季度的99起。进一步分析发现，二、三季度故障数量较多与电气、仪表及动设备专业故障高发有关。夏秋季节洪汛、雷电导致仪表和电气故障增多，如雷击、大风引起的架空高压电线路故障引起的短路、跳闸，大雨导致的仪表电磁阀防水问题、接线盒进水、伺服阀故障等；夏季高温导致动设备专业出现机组油泵上量和泄漏故障等。这些都是导致二、三季度故障增多的原因。

图1 故障数量和专业的季度分布

2 故障设备类型分布

发生故障的设备类型按占比大小排序为静设备、动设备、电气、仪表，其中静设备占比46.4%，动设备占比31.3%，电气占比12.7%，仪表占比9.6%。从3年各专业占比变化情况看，静设备故障2021年大幅度增加，动设备2020年最高，2019年电气专业故障最高，仪控设备3年基本持平。故障专业及设备种类分析如图2所示。

图2 故障专业及设备种类分析

2.1 静设备故障

从静设备故障分析看，主要是腐蚀穿孔或焊缝开裂、砂眼等。静设备故障中，腐蚀原因占比近1/3, 其次是检维修、安装质量、制造质量。可喜的是，近年来随着法兰螺栓定力矩紧固技术的大面积应用，静密封泄漏故障已大幅度减少，与前一个3年相比，法兰静密封泄漏故障下降超过95%，带压堵漏作业在企业已经较少进行。

从年度分布看，2021年静设备故障明显高于其他年份，故障主要集中于工艺管线，3年中工艺管线故障共32起，其中2019年8起、2020年9起、2021年15起，对其进行进一步分析发现， 2021年15起故障中有9起是垢下腐蚀和低点积液腐蚀引起的，与2019年工艺管线故障多为冲刷腐蚀明显不同。分析认为，2021年工艺管线故障多的原因主要是受疫情影响，由于2020年有118套装置有较长时间的停工待料，同时运行装置也处于超低负荷状态，管线内介质流速下降，沉积加剧，部分狭窄沟槽部分出现腐蚀元素浓缩聚集的现象，导致一年后管线故障增加。2021年共24家企业使用涡流技术扫查管件47795个，发现减薄20%～30%部件1975个、减薄30%～40%部件1066个、减薄40%以上部件1290个，发现大量腐蚀隐患。

2.2 动设备故障

分析动设备故障原因，“不当操作”占比最高，其次是检维修、设计、制造质量和结垢。综合3年的情况来看，动设备故障在2020年异常突出，并且高于了静设备故障。分析发现，2020年动设备故障中，大机组故障增多，尤其是轴流压缩机和烟机尤为明显，2020年轴流压缩机7起故障中有3起为叶片断裂事故，大大高于其他年份；烟机8起故障中3起为烟机叶片断裂事故。

进一步分析，2020年受疫情影响，市场需求低迷，各炼油企业大幅降低加工量，大部分装置维持最低负荷运行，催化裂化装置主风机负荷相当一部分处于最低负荷“卡边”状态，静叶角度关至最小，部分机组甚至出现了喘振现象。低转速条件下，轴流风机叶片自振频率与激振频率避开裕度不足，叶片出现了共振，是导致叶片断裂的主要原因。从后期大检修检查也发现，没有发生断裂的多台机组，动叶片也大面积出现了微裂纹的典型问题。此外，2020年还发生了因压缩机平衡管与本体焊缝泄漏导致停工的故障，后组织企业进行排查，共排查379条压缩机平衡管，检测焊口2461道，发现问题焊口184道。2021年未发生同类故障。

静、动设备故障原因分析如图3所示。

图3 静、动设备故障原因分析

3 故障原因分析

3.1 原因分布

故障数据分析按照设备全过程管理环节，即设计缺陷、制造质量、安装质量、不当操作、检维修质量，以及出现问题较多的腐蚀和电网波动等7类原因进行了归类统计。按故障次数由多到少排序依次是检维修质量30次、不当操作30次、腐蚀27次、制造质量26次，此外还有设计缺陷13次、安装质量13次以及电网问题9次。可以看出，检维修质量和不当操作是引发设备故障的两大主要原因。近3年主要故障原因分析如图4所示。

图4 近3年主要故障原因分析

3.2 检维修质量

随着社会经济的发展，劳动力市场价格不断提高，石化检维修队伍由于其独特的劳动环境和工资待遇问题，优秀的检维修工人不断流失，同时高素质工人很难招入，检维修工人民工化趋势加剧，尤其是大检修期间，这一问题更加突出。因此检维修质量不断出现的问题，难以满足炼化企业发展的需求，部分企业因检维修质量导致的故障已成为引发设备事故的主因。

3.3 不当操作

炼化企业实施现代化企业改制后，尤其是生产装置DCS的普及应用，使得传统的司泵工、司炉工、大机组操作工统统被外操取代。随着装置自动化运行水平的不断提高，操作人员负责的区域和设备种类大大增加，而“四懂三会”水平下降，因此操作人员在异常工况条件的应急能力严重不足，从部分事故的原因分析来看，由于应急不当，小波动变成大事故现象时有发生。2020年因大多数企业处于超低负荷运行，操作难度增加，导致的操作问题比较突出。

4 装置故障分布

主要装置3年内发生设备故障数量的分布情况如图5所示。

图5 故障装置分布

按装置故障总数由高到低的顺序排序，依次为催化裂化63起、加氢裂化26起、公用系统25起、加氢精制15起、制氢10起、重整8起、焦化6起，其余装置13起。

4.1 催化裂化装置

催化装置由于其较高的复杂度和操作难度，故障率在炼油装置中最高，故障主要集中在烟机、轴流风机和气压机等大型机组【5-6】，高温膨胀节、旋风分离器等反再内构件以及余热炉、油浆管线等故障高发部位。

4.2 加氢裂化装置

加氢裂化由于其高温、高压和临氢等运行因素影响，也是炼油装置中设备故障率较高的装置。从故障部位的分布情况看，高压空冷器铵盐结晶堵塞及腐蚀泄漏、新氢往复式压缩机故障、300系列高压不锈钢管线焊缝开裂、干气密封损坏、加氢反应器不锈钢衬层裂纹鼓包等是其主要故障形式。

5 设备故障后果

按设备故障发生后对生产造成的影响程度进行统计，引起全装置24 h以上非计划停工的设备故障共61起、引起全装置24 h 以内非计划停工的共60起、引起装置局部停工及波动的共45起。

5.1 引起24 h以上非计划停工的设备故障

引起全装置24 h以上非计划停工的61起设备故障中，加氢裂化18起、催化裂化16起、加氢精制9起，是最多的3类装置；按设备专业统计，数量为静设备41起、动设备14起、仪表电气共6起；按设备类型统计，则为工艺管线及空冷器各12起、反应器及压缩机各9起、加热炉7起。

5.2 引起24 h以内非计划停工的设备故障

引起全装置24 h以内非计划停工的60起设备故障中，催化裂化33起、公用系统13起，为最多的两类装置；按设备专业统计，其中动设备21起、静设备15起、电气13起、仪表11起；按设备类型统计，则为工艺管线12起、风机8起、控制阀7起。

从设备故障对生产造成的影响程度进行分析发现：加氢类装置设备压力等级及复杂性高，并且故障发生后恢复难度大，其设备故障引起24 h以上非计划停工的比例高于其他装置；催化装置因其故障总数远高于其他装置，24 h以上停工次数也较多。在设备专业及类型中，易引起高级别停工的以静设备中的工艺管线、空冷器及反应器等设备较为突出，主要原因有二：一是静设备在流程中切出不如动设备方便，且一般没有备用设备；二是静设备故障多为突发，在线监测预测手段目前不如动设备准确完善【7】。