熱電偶套管管線泄漏導致環氧乙烷反應器催化劑失效的分析

 

    某石化公司乙二醇裝置環氧乙烷(EO) 反應器其運行性能直接影響該裝置的生產能力及經濟指標。該反應器投入運行3 年多后就發生嚴重的尾燒現象，尾燒產生的高溫高壓直接可導致后續流程中換熱器封頭泄漏，大量環氧乙烷可燃氣外漏，嚴重影響到裝置的安全生產。2011 年4 月16日對EO 反應器進行檢修時，發現在反應器Ｒ101A上封頭內的1 根熱電偶套管破損(見圖1)，使得殼層內的鍋爐水進入到裝填有催化劑的反應器管層內，致使尾燒發生。

 

本文對熱電偶套管焊縫處發生泄漏的原因進行了研究和分析，并提出了解決方案。

 

1 環氧乙烷反應器的技術參數、結構及工作原理

1)結構及工作原理。

    環氧乙烷反應器的主要結構為:管束、管板、支撐格柵及上下封頭。該反應器直徑4.8 m，總高度約為22 m，內有5 144 根反應管，其中有2 根監測殼體鍋爐水溫度熱電偶套管。反應管外徑50． 8mm，內徑44．8mm，長11．8m。反應器頂部筒體高度為1485mm，封頭為橢圓形;底部筒體高度為765 mm，封頭底部為錐形。催化劑填高約為10700 mm，惰性球裝填高度約為800 mm，每個反應器銀催化劑裝填量85 t，惰性球約15 t。反應器主要結構見圖2。

 

環氧乙烷反應器的工作原理是:其管程所走的介質為循環氣( 含乙烯、氧氣、甲烷等)，殼層所走介質為鍋爐水(BW)，由于在反應管中乙烯和氧氣進行的反應為放熱反應，其產生的熱量被殼層的BW 水帶走。

    反應器中有2 根熱電偶套管管線，其結構是由反應器的上管板延伸出反應器封頭，在反應器的上管板和封頭之間有1 段1 400 mm 的管，其有多點熱偶，用以測量反應器殼層的鍋爐水溫度。

 

2)技術參數。

環氧乙烷反應器的技術參數如表1 所示。

 

2 失效原因分析

    針對兩管道接口焊縫處焊口泄漏的現象，從反應器的工況及設備形式入手，詳細分析問題產生的原因，力求從根本上解決該管線泄漏的隱患。形成泄漏有以下幾個主要原因:

 

1)初步判斷環氧乙烷反應器頂部熱電偶套管膨脹節設計的吸收熱膨脹量小于實際運行的熱膨脹伸長量，造成熱電偶套管受超負荷軸向推力擠壓以致變形偏斜，并因膨脹節橫臂受兩側軸向推力擠壓，應力加大，同時產生整體管線發生橫向位移，導致焊縫強度薄弱處泄漏失效。

 

2)初步判斷制造及施工方在安裝焊接熱電偶套管時沒有嚴格按照制作要求與設計規范施工。

a)在組裝膨脹節時沒有按設計規范進行安裝，安裝膨脹節的螺栓預緊力不一致，導致管線熱應力不均勻。

b)制造方焊接工藝編排有待商榷。較好的焊接工藝編排可縮小熱影響區中的過熱區。

c)焊縫熱處理不完善。未經預熱，焊后保溫時間、溫度把握不準確。

 

3)初步判斷現場設備升溫過程中，未嚴格按照操作規程與技術要求對設備進行預熱。并在投送BW 時，控制閥門開啟過快造成管線上部溫升快于設備本體溫升，引起管線上下部熱膨脹量不一致，應力沿垂直管道軸向并向上使管道向上隆起，并在焊接質量薄弱處達到應力集中。

 

4 解決措施

    由于管線連接套管接頭內部管道材質及焊接質量是否有缺陷不詳，如在原管線本體上焊接則無法保證焊接質量。經過現場考察、測量，將原有管線套管接頭切除，更換經過計算保持原有管道長度的管線接頭，保證管道原有的總長度，以確保環氧乙烷反應器頂部膨脹節的原有膨脹伸縮量。

    查閱反應器熱電偶交工資料后確認，施工方在安裝膨脹節過程中未按設計交工資料施工，交工圖紙中標注膨脹節規格的內徑為89 mm，外徑為117．4 mm。根據該膨脹節的規格及EO 反應器的操作條件，膨脹節制造商要求膨脹節常溫下安裝長度為48 mm，且要求膨脹節頂部連接處的螺栓有10 mm 的間隙，以保證膨脹節有一定的伸縮量，膨脹節安裝尺寸見圖4。

 

5 結語

    上述方案實施后，收到了預期的效果。至今為止，環氧乙烷反應器熱電偶套管運行良好。環氧乙烷反應器熱電偶套管失效分析解決了某乙二醇裝置的設備隱患，為該裝置設備的安全平穩運行打下了堅實的基礎。