（中国石化镇海炼化分公司）
摘 要：本文探讨了煤焦制氢装置渣水处理单元角阀闪蒸工段存在的腐蚀现象和腐蚀机理，并结合工段环境及机理提出改进措施，由此改进同类工段损伤情况，提高设备使用的可靠性。
关键词：煤焦制氢装置；损伤机理
前 言
某公司煤焦制氢装置自2019年开工以来，闪蒸工段多次发生管线腐蚀、泄漏情况，严重影响装置平稳生产运行，对生产安全造成严重威胁。针对闪蒸工段发生的腐蚀、泄漏问题，团队做了大量的工作，结合装置运行现状，进行多方面的改进，有效解决了腐蚀情况，对装置长周期运行有了明显改善。
1 工艺流程介绍
煤焦制氢装置分为气化单元与净化单元。气化单元包括煤浆制备系统、气化及初步净化系统、渣水处理系统等主要工艺单元。角阀闪蒸工段位于渣水处理系统，气化炉、旋风分离器和洗涤塔的高压黑水，经过高压闪蒸角阀后，由于其阀后压力突然降低，各组分在气相中的分压迅速降低，在一定温度下，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性气体逸出水面，经过分离器，将易挥发组分在气相富集，难挥发组分在液相增浓。三股黑水闪蒸、汇合，再通过多级闪蒸，将黑水浓缩，便于后系统进行固液分离。
装置共有三个系列，正常运行状态下两开一备，渣水处理单元共24个闪蒸角阀缓冲筒，每个系列8个，以气化II系列为例，气化炉、旋风分离器、水洗塔的黑水去蒸发热水塔各两个闪蒸缓冲筒，对应的设备位号为12LV201A/B、12FV234A/B、12FV239A/B。蒸发热水塔黑水去低压闪蒸罐有一个缓冲筒13LV201，低压闪蒸罐黑水去真空闪蒸器有一个缓冲筒13LV204，其中气化炉去蒸发热水塔的黑水分两股分别进入，而旋风分离器和水洗塔的黑水是两路黑水汇合后再进入蒸发热水塔。
图1 渣水处理单元角阀闪蒸缓冲筒流程示意图
2 腐蚀现象
2.1 泄漏检测情况
2020年5月14日，装置II系列低压闪蒸罐至真空闪蒸器角阀13LV204闪蒸筒筒体三通处发生泄漏，泄漏位于渣水处理单元，泄漏点在闪蒸筒三通出口段，位于三通侧下方。
针对泄漏情况，装置对此处进行漏点进行包盒子处理，并对同工况的I系列、III系列进行检测，运用定点测厚检测闪蒸筒壁减薄情况，以及脉冲涡流检测分析减薄区域。根据测厚及脉冲涡流检测结果可以看出，角阀大部分区域未发生减薄，减薄主要发生在三通侧下方，两侧约3平方分米的区域呈中心向外扩散减薄趋势。后续对此区域进行了包盒子、更换三通处理。
图2. III系列低压闪蒸罐至真空闪蒸器闪蒸筒脉冲涡流扫查情况
2.2 内部检查情况
2022年5月，装置II系列气化停工检修，针对渣水处理单元角阀闪蒸筒进行检查分析。
角阀闪蒸筒运行工况如下，截止2022年6月，装置检修系列气化运行累计17800小时，因角阀运行有5%的最低开关限位，且双阀设置的闪蒸筒切换运行时长大致接近，暂定所有角阀运行时间相同。
表1 角阀闪蒸缓冲筒尺寸及工况
角阀结构如下，介质从角阀侧向进口进入，流向在角阀流道内转向90°向下，经过阀芯节流、降压排至闪蒸缓冲筒，角阀出口配有一根文丘里内衬延伸管。根据伯努利方程，经过角阀的黑水压力大幅下降，压力能转化为动能，同时压力下降，黑水解析出大量闪蒸气，气、液及夹带的固体颗粒高速喷出，首先经过I段气相空间进行缓冲，大部分气体沿水平方向流向容器，气相空间的缓冲能力不足以将减压后的介质能量完全吸收，液体、固体及部分气体仍向下喷射，经过缓冲筒内液相介质的缓冲后，黑水液体、固体在缓冲筒中存积，然后溢流至容器中，若液相过程中能量没有完全被吸收，剩余的能量将作用到缓冲筒底部法兰盖上。
图3 角阀结构及角阀缓冲筒分段情况
根据现场结构，将角阀闪蒸缓冲筒分为四段检查分析：
I、上段，从角阀至三通上焊缝的以上；II、中段，是三通上下焊缝之间至出口法兰III、下段，是三通下焊缝至闪蒸筒底部IV、第四段是闪蒸筒出口法兰至塔或容器。
对角阀闪蒸缓冲筒各段检查，检查结果如下：
第一段各设备没有发生减薄的情况；真空闪蒸器角阀13LV204闪蒸缓冲筒第二段磨损泄漏；气化炉至蒸发热水塔的角阀12LV201A/B、蒸发热水塔至低压闪蒸罐的角阀13LV201闪蒸缓冲筒第三段的底部法兰盖，及配对的法兰中段磨损严重；各缓冲筒第四段都没有减薄。此外，检查各角阀文丘里内衬延伸管段，气化炉黑水闪蒸角阀12LV201A/B此段内衬管磨损变形，内圈由圆形磨损成不规则形状。
图4 角阀内部磨损情况
3 机理分析
各角阀管线运行工况如下：
表2 角阀闪蒸缓冲筒尺寸及工况
可以看出，气化炉至蒸发热水塔黑水质量流量最大，根据能量守恒，以及伯努利方程，黑水能量与质量流量呈正相关关系，经初步计算，气化炉黑水单位时间的动能约为旋风分离器黑水的6倍，是水洗塔黑水的90倍，远远大于其他两者。根据缓冲筒缓冲原理，气化炉黑水能量难以完全被缓冲筒内部介质吸收，部分能量作用到底部法兰盖上，造成底部法兰盖产生凹坑。此外，根据各角阀缓冲筒尺寸看出，气化炉角阀延伸段最长，对气化炉黑水径向运行的约束距离最长，但此股黑水能量最大，黑水与延伸管直接接触、冲刷，造成延伸管磨损、变形。
对蒸发热水塔至低压闪蒸罐黑水和低压闪蒸罐至真空闪蒸器黑水角阀闪蒸缓冲筒进行分析：这两股黑水流量相当，管径相等，黑水的初始能量相当，但产生磨损的部位、现象不同，对此逐一进行分析。
低闪角阀前后压差约0.43MPa，真闪角阀前后压差约0.31MPa，根据伯努利方程，低闪角阀后流体流速更快，携带的能量更大，造成的现象与气化炉黑水效果类似，底部法兰盖中间被直接冲击产生凹坑，但因为压降较气化炉黑水更低，且内衬管延伸段长度更短，只有气化炉角阀的一半，这么短距离不足以在径向造成严重磨损，所以低闪角阀内衬管未发生变形。
真闪黑水能量比低闪低，但是却对三通部位造成磨损，在投用运行约7300小时时就被磨穿、泄漏，分析产生此磨损原因如下：
1）根据闪蒸原理，真闪闪蒸气量最大，黑水出角阀后，闪蒸出的大量闪蒸气破坏了黑水直喷结构，造成喷射流体径向偏移，能量直接作用到三通处筒壁上，从外观上也能看出，三通部位有一圈没有结垢的地方，应为长期受到黑水流体直喷产生；
2）真闪角阀延伸管长度只有气化炉角阀长度的一半，对黑水流体喷射约束效果更差，介质更容易发生偏流；
3）真闪角阀闪蒸缓冲筒I段长度只有气化炉角阀的一半，缓冲能力较差，介质到三通部位能量没有得到足够缓冲，作用在筒壁能量仍很大，对筒壁磨损严重；
4）因闪蒸系统每一级都将上一级黑水进行浓缩，所以真闪这一级浓缩后的黑水固含量最高，对闪蒸筒管壁磨损最大。
总结上述设备磨损现象，真闪角阀运行7300小时就发生磨损泄漏，而气化炉黑水角阀和低闪角阀虽然有减薄现象，但运行17800小时仍未发生泄漏，结合现场检查讨论分析，有如下因素导致磨损泄漏差异：
磨损部位原始厚度不同，真闪磨损部位原始厚度为14mm，而闪蒸筒底部法兰盖经过加厚，厚度接近100mm，底部法兰颈部磨损部位厚度也有20mm，所以更不容易磨穿泄漏；
真闪黑水射流发生偏流，到达直接冲刷部位的距离短，筒内介质吸收的能量少，直接作用在本体上的能量大；低闪、气化炉黑水射流直达底部，经过了I、II、III三段介质的缓冲，作用在设备本体的能量更小，更不容易穿透；
气化炉角阀延伸段更长，对射流约束作用大，没有产生偏流导致设备侧壁受到磨损，但由于黑水能量大，与角阀延伸管相互作用更多，最终导致延伸管磨损变形。
根据角阀闪蒸缓冲筒磨损情况分析总结如下：
1）角阀阀座延伸管对流体喷射进行导流，约束闪蒸流体沿中心线向下流动，约束段越长越不易发生偏流；
2）流体携带的能量越大，对缓冲筒本体造成的损坏程度越深；
3）射流偏流会因缓冲距离短、冲刷角度原因，造成设备使用寿命偏短，更容易发生泄漏。
4 改进措施
根据上述总结的角阀闪蒸缓冲筒磨损分析结果，做出了几种针对性的改进措施：
1）对内衬延伸管较短的低闪、真闪角阀筒，在角阀法兰盖下部，延伸管外圈加装直径300mm的导流筒，增强导流性能，防止射流产生偏流直冲缓冲筒本体。
2）根据现场实际条件，将低闪、真闪角阀缓冲筒下段加长1300mm，增加缓冲筒的缓冲能力，减弱射流直冲能量，减少对缓冲筒底部法兰盖的冲刷，此外，加装后缓冲筒离地面更近，方便检修时的拆装清理作业。高闪的6个缓冲筒由于现场没有空间，暂无法实施。
3）针对射流能量较大的气化炉、低闪、真闪黑水，在缓冲筒底部法兰盖上加装一圈保护板，高度100mm，加强圈紧贴缓冲筒壁，直径约580mm，作用是保护底部法兰颈部，防止磨损。
4）在缓冲筒中部设置夹套及检漏孔，若筒体三通磨损泄漏，能第一时间发现，同时保护设备，防止介质外漏，能支撑到装置平稳停车检修。
图5 角阀闪蒸缓冲筒改进结构
5 结论
煤焦制氢装置渣水处理单元角阀闪蒸缓冲筒介质流速大，介质为固液气多相流体，易产生冲刷、磨损，是装置运行的薄弱环节，根据设备冲蚀现象，对冲蚀影响因素进行分析、确认，采取针对性改进措施，确实做到防范于未然。本文从现场实际出发，深度剖析了闪蒸角阀系统缓冲筒冲蚀、磨损的原因和影响因素，并提出了可行的解决方案，为日后同类型系统的优化提升提供借鉴。
参考文献
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作者简介：丁尖（1995-），男，2019年6月毕业于中国石油大学（北京），取得硕士研究生学位，于2019年8月入职中国石化镇海炼化分公司，从事煤焦制氢装置设备技术职位。
