朱國建，顧文忠

中國石化集團(tuán)金陵石油化工有限責(zé)任公司烷基苯廠，江蘇 南京 210046

烷基化工藝某化工裝置，以氟化氫（HF）作為催化劑，直鏈單烯烴和苯進(jìn)行烷基化反應(yīng)，經(jīng)過脫酸、脫苯、脫烷烴、烷基苯精餾等單元，制取洗滌劑工業(yè)原料直鏈烷基苯等。其中烷基化物采用減壓蒸餾塔進(jìn)行分離，依靠抽真空系統(tǒng)將塔頂不凝氣抽走以保證真空度要求。

抽真空系統(tǒng)是一個(gè)組合式真空泵，第一級(jí)是羅茨風(fēng)機(jī)，第二級(jí)是干式泵。干式泵型號(hào)為DP400，由Edwards 公司生產(chǎn)，為正向排氣的三級(jí)旋轉(zhuǎn)泵，內(nèi)有三對(duì)互相咬合的爪式轉(zhuǎn)子安裝在共同的軸桿上，這些轉(zhuǎn)子通過調(diào)速齒輪來保持正確的相位關(guān)系，其構(gòu)造和工作原理見文獻(xiàn)［1-2］。轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵腔內(nèi)壁之間互不接觸，其間保留較小的間隙。此真空泵具有節(jié)能、高效、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，常應(yīng)用于醫(yī)藥、半導(dǎo)體和化工等領(lǐng)域［2-3］。抽真空裝置自2006年投入運(yùn)行以來狀況良好，但隨著長周期運(yùn)行，其中的干式泵經(jīng)常出現(xiàn)故障跳停，影響了裝置的安全生產(chǎn)和設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多介紹干式泵在HF 烷基化工藝下的應(yīng)用實(shí)例［2，4］，對(duì)其在此工藝下的運(yùn)行故障狀況還未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)報(bào)道。

本文通過剖析、總結(jié)近年來干式泵跳停實(shí)例，針對(duì)催化劑HF、空氣、真空泵出口帶液、輕組分等因素分析干式泵故障跳停原因，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 干式泵工藝流程及故障跳停統(tǒng)計(jì)

1.1 干式泵工藝流程

本裝置抽真空泵位號(hào)是K-401A、K-402A/B，以真空泵抽C-405 塔頂不凝氣為例進(jìn)行說明，具體的工藝流程見圖1。C-405 塔頂不凝氣經(jīng)過冷卻水換熱器E-434 被冷卻后，進(jìn)入氣液分離罐V-421，冷凝液沉積在罐底，不凝氣從罐頂經(jīng)控制閥PV-159后進(jìn)入抽真空系統(tǒng)，經(jīng)過機(jī)組壓縮后排入廢氣洗滌塔C-561，進(jìn)行酸堿中和后排至火炬。

圖1 真空泵抽取C-405塔頂不凝氣工藝流程

1.2 干式泵故障跳停統(tǒng)計(jì)與初步檢查

裝置2018.01—2021.05 抽真空系統(tǒng)干式泵故障跳停次數(shù)及原因分析見表1所示。由表1可知：裝置正常運(yùn)行時(shí)，2018—2020年干式泵跳停次數(shù)較多，都在10 次以上，主要原因是馬達(dá)過載；2021年初至6月份裝置檢修前，因馬達(dá)過載跳停5次。

表1 裝置正常運(yùn)行時(shí)抽真空系統(tǒng)干式泵故障跳停情況

對(duì)跳停后的干式泵進(jìn)行檢查，包括機(jī)泵、出入口管線、冷卻系統(tǒng)等，機(jī)泵解體后發(fā)現(xiàn)機(jī)組內(nèi)含有油泥、固體顆粒、凝液等情況較多，腔體內(nèi)的油泥和轉(zhuǎn)子表面的劃痕如圖2所示。此外，出口管線堵塞、機(jī)組冷卻水異常等時(shí)有發(fā)生，也會(huì)造成干式泵跳停。

圖2 K-401A干式泵解體情況

對(duì)固體雜物進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)雜物中含有O、Fe、F、C、Mn、Si 等元素，主要是鐵的氟化物及氧化物，如Fe2O3、Fe3O4和FeF2等。這是因?yàn)榻饘僭跉浞岘h(huán)境下發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物堆積在管壁或設(shè)備里，在特殊環(huán)境下腐蝕產(chǎn)物形狀或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有部分顆粒物脫落下來，隨塔頂不凝氣進(jìn)入干式泵的轉(zhuǎn)子腔，與冷卻下來的油形成油泥混合物，增加了轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與腔體之間的摩擦，造成堵塞，最終引起干式泵跳停。

2 干式泵故障跳停原因分析

2.1 HF的影響

從歷次干式泵出口管線腐蝕情況看，泄漏部位腐蝕穿孔，并伴有白霧和刺激性氣味。對(duì)C-405 塔頂餾出液和V-421 冷凝液進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：C-405塔頂循環(huán)烷烴出料及其頂部不凝氣凝液中均含有一定量的水分和F-，可以判斷干式泵入口不凝氣中存在HF，并以氣相狀態(tài)存在，該狀態(tài)對(duì)金屬的腐蝕速率更強(qiáng)［5］。高溫物料進(jìn)入脫烷烴塔后，有機(jī)氟化物在負(fù)壓下解離出F-，F(xiàn)-奪取水分子中的H+形成HF，與物料中極少量的無機(jī)HF 一起隨不凝氣進(jìn)入塔頂。但是，由于HF 具有極強(qiáng)的吸濕性，其不會(huì)全部隨不凝氣進(jìn)入抽真空系統(tǒng)，會(huì)有部分溶于管壁表面的液膜中，在裝置長周期運(yùn)行下慢慢堆積。

表2 C-405塔頂餾出液和V-421冷凝液成分

HF對(duì)金屬有腐蝕作用，其腐蝕機(jī)制既有化學(xué)腐蝕，也有電化學(xué)腐蝕。

一般HF 與鐵發(fā)生置換反應(yīng)，生成FeF2和H2。FeF2是一種致密的銹蝕物，附在金屬表面形成一種保護(hù)膜，使HF 的擴(kuò)散速度降低，對(duì)設(shè)備起到一定的保護(hù)作用。由表2可推斷，C-405 頂部氣相中HF 和水分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出UOP 0.1%～0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）酸含水的范圍［6］，它們?cè)贑-405 塔頂部氣相出口會(huì)形成HF電解質(zhì)溶液。由于本裝置管線材質(zhì)是GB9948—2013 的U20202 20#鋼，其化學(xué)成分見表3，不純的金屬接觸電解質(zhì)溶液會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

表3 U20202 20#鋼的化學(xué)成分 %

HF 對(duì)金屬的腐蝕是氫去極化過程即析氫腐蝕，其反應(yīng)機(jī)制如下：

陽極反應(yīng)Fe→Fe2++2e-

陰極反應(yīng)HF→H++F-

2H++2e-→H2

總反應(yīng)Fe+2HF→FeF2+H2↑

由于腐蝕產(chǎn)物膜在金屬表面形成的覆蓋度不同，各覆蓋度的區(qū)域之間形成了具有很強(qiáng)自催化特性的腐蝕電偶或閉塞電池，從而在這些區(qū)域之間形成電偶腐蝕，加劇了局部腐蝕［7］，最終在其管段表面有明顯的腐蝕坑和點(diǎn)蝕。

2019年裝置檢修時(shí)，首次對(duì)冷卻水換熱器E-434進(jìn)行抽芯檢修，其管束表面如圖3所示。由圖3可知：管束表面上附著大量腐蝕產(chǎn)物。由此推測(cè)，因氫氟酸腐蝕帶來的管線腐蝕穿孔、腐蝕產(chǎn)物脫落進(jìn)入干式泵是其跳停的主要原因。

圖3 冷卻水換熱器E-434抽芯狀況

2.2 空氣的影響

由于減壓蒸餾過程做不到完全密封，并且因密封失效及設(shè)備、管線腐蝕穿孔而漏入的空氣也不易被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致空氣不可避免地進(jìn)入負(fù)壓系統(tǒng)?？諝庵械腛2和水分都會(huì)加劇金屬腐蝕，造成腐蝕產(chǎn)物堆積，加速腐蝕產(chǎn)物脫落，進(jìn)入設(shè)備本體，最終導(dǎo)致干式泵跳停。有文獻(xiàn)報(bào)道O2的體積分?jǐn)?shù)超過0.2%時(shí)，其腐蝕速度會(huì)明顯增加［8］。HF在水中電離生成H+的能力很弱。因此，除了發(fā)生析氫腐蝕外，O2、水分的存在也會(huì)促使金屬發(fā)生吸氧腐蝕［9-10］，其反應(yīng)機(jī)制如下：

陽極反應(yīng)Fe→Fe2++2e-

陰極反應(yīng)4H++O2+4e-→2H2O

2H2O+O2+4e-→4OH-

總反應(yīng)2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

1）氧含量較低時(shí)，則發(fā)生下列反應(yīng)生成黑磁鐵［11］：

6Fe(OH)2+O2→4H2O+2Fe3O4·H2O

Fe3O4·H2O→H2O+Fe3O4

2）氧含量充足時(shí)，則發(fā)生下列反應(yīng)生成紅色或灰色鐵銹。

4Fe(OH)2+O2→2H2O+2Fe2O3·H2O

3）水分環(huán)境下，F(xiàn)e（OH）2進(jìn)一步被氧化，生成Fe（OH）3；Fe（OH）3失水，最終變成Fe2O3。

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

由于F-是電負(fù)性最強(qiáng)、離子半徑最小的陰離子，電荷密度高，使得它具有很強(qiáng)的滲透性。隨著電解質(zhì)溶液中水含量的增加，F(xiàn)-的活動(dòng)性增強(qiáng)［12］，水作為腐蝕的催化劑，會(huì)加快局部腐蝕的進(jìn)程。

圖4是2021年6月裝置檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)C-405 頂部的2 處漏點(diǎn)，約15 mm×3 mm，是本次檢修前干式泵頻繁跳停的主要原因。

圖4 C-405塔頂腐蝕穿孔情況

2.3 溫度的影響

圖5為Q235 鋼在不同溫度的40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HF 溶液中的腐蝕速率［13］。由圖5可知：隨著溫度升高，氫氟酸的腐蝕作用增強(qiáng)。溫度越高，電極反應(yīng)速度加快，加速溶液中離子的遷移速度，使溶液電阻降低，同時(shí)也增加了氫離子的擴(kuò)散速度［14］，越容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，管段表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜會(huì)因暫時(shí)的溫度過高或波動(dòng)較大而導(dǎo)致局部松解，并且超過65 ℃時(shí)該層銹蝕物的保護(hù)作用逐漸消失，腐蝕膜將剝落［9］，部分固體顆粒跟隨不凝氣進(jìn)入干式泵造成跳停。實(shí)踐證明，在干式泵跳停期間，C-405 塔頂氣相線溫度點(diǎn)TIAH151 經(jīng)常發(fā)生報(bào)警（報(bào)警值為50 ℃），表明塔頂有烷烴等物質(zhì)進(jìn)入不凝氣系統(tǒng)。

圖5 Q235鋼在不同溫度下的腐蝕速率

2.4 輕組分的影響

當(dāng)裝置系統(tǒng)正常平穩(wěn)生產(chǎn)時(shí)，其中的苯、C5～C9輕組分等經(jīng)過逐級(jí)蒸餾，只有微量隨著不凝氣進(jìn)入干式泵。但當(dāng)發(fā)生特殊工況如裝置“晃電”、上游脫氫裝置長時(shí)間切出反應(yīng)器時(shí)，脫苯塔或脫氫提餾塔進(jìn)料發(fā)生波動(dòng)或操作不平穩(wěn)，真空泵的運(yùn)行就會(huì)受到影響。這是因?yàn)槊摫剿蛎摎涮狃s塔進(jìn)料發(fā)生波動(dòng)或操作不平穩(wěn)時(shí)，輕組分等會(huì)被帶入下一單元，短時(shí)間內(nèi)各單元來不及充分汽提，最終進(jìn)入C-405。輕組分在負(fù)壓下發(fā)生閃蒸，夾帶少量烷烴一起進(jìn)入真空泵，遇冷后變成油液進(jìn)入腔體。而且，苯、C5～C9輕組分等作為溶劑油，其特殊的溶解性會(huì)將管線內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物溶脹，腐蝕產(chǎn)物在忽冷忽熱的氣流沖刷下部分脫落后進(jìn)入機(jī)組，與上述油液形成油泥混合物進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔，造成內(nèi)件卡澀，導(dǎo)致干式泵跳停。

上游脫氫裝置長時(shí)間切出反應(yīng)器時(shí)期，裝置會(huì)出現(xiàn)HF 汽提塔排放罐罐頂不凝氣排放量增大（壓控閥排放開度由正常生產(chǎn)時(shí)1%～5%升至10%～20%），C-405 壓力波動(dòng)上升，真空泵停運(yùn)時(shí)壓力快速上升，甚至要加大抽真空系統(tǒng)入口閥開度才能保持塔壓平穩(wěn)，這也驗(yàn)證了上述分析的合理性。此外，解體跳停的干式泵后發(fā)現(xiàn)，腔內(nèi)含有大量的凝液和油泥，也證明了兩者的關(guān)聯(lián)性。

2.5 冷卻系統(tǒng)的影響

冷卻系統(tǒng)異常也會(huì)造成干式泵跳停。冷卻系統(tǒng)由潤滑油、冷卻液、循環(huán)冷卻水等組成，其夾套冷卻液系統(tǒng)若發(fā)生冷卻液減少或者變質(zhì)，冷卻效果下降，會(huì)導(dǎo)致干式泵泵體溫度過高而跳停；冷卻水系統(tǒng)存在過濾器，采用循環(huán)冷卻水，若其雜質(zhì)較多，冷卻水過濾器堵塞將會(huì)導(dǎo)致冷卻水量大幅度下降，泵體溫度升高，嚴(yán)重時(shí)造成干式泵跳停，這種情況一般發(fā)生在夏季高溫天氣。

2.6 涉酸設(shè)備/管線隔絕防護(hù)的影響

表4是近兩次裝置檢修開工期間干式泵故障跳停情況，其中2019年裝置開工階段干式泵跳停6 次，直接原因均是馬達(dá)過載。對(duì)真空泵解體檢查發(fā)現(xiàn)，其腔體內(nèi)部較臟，含有油泥、固體顆粒等雜物?？赡艿脑蚴牵簷z修期間，氣液分離罐V-421 沒有檢修項(xiàng)目，也沒有對(duì)其進(jìn)行隔絕保護(hù)而敞開放置，其中的設(shè)備、管線打開后表壁的附著物接觸到外界環(huán)境，在氧氣、水分的作用下腐蝕加劇，形成更多的腐蝕產(chǎn)物并脫落下來，開工后部分固體顆粒物進(jìn)入干式泵，從而引起跳停。

表4 近兩次裝置檢修開工期間干式泵故障跳停情況

2.7 出口管線（帶液）堵塞的影響

干式泵出口管線帶液或固體顆粒物堵塞，導(dǎo)致出口通徑變小或氣相通道堵塞，壓縮不凝氣不能夠及時(shí)排出，干式泵內(nèi)部熱量不能及時(shí)被帶出，出口壓力增加，引起干式泵的負(fù)荷增加直至馬達(dá)過載跳停。

含輕組分不凝氣經(jīng)真空泵壓縮后，通過DN50的支管排入總管，其出口溫度升至60～90 ℃，壓力為0.05 MPa（表壓），此條件下輕組分烴為液相，其積少成多后在氣流帶動(dòng)下向前流動(dòng)。裝置改造前，抽真空系統(tǒng)出口工藝流程及其管線空間布局如圖6所示。由圖6可知：出口流程存在U 形管，其底部設(shè)置低點(diǎn)排凝線，就近將凝液排至中和北池，這樣就導(dǎo)致U形管距離干式泵出口較遠(yuǎn)，雖然出口管線設(shè)置蒸汽伴熱，但總有凝液沉積在U 形管中，如果排凝出現(xiàn)故障，則會(huì)導(dǎo)致U形處氣相通徑變窄甚至堵塞，造成氣相出口流程不暢，從而引起干式泵跳停。

圖6 抽真空系統(tǒng)出口工藝流程及其管線空間布局（改造前）

此外，干式泵出口含酸物料不及時(shí)排出會(huì)引起金屬腐蝕，導(dǎo)致干式泵出口閥及出口管線因腐蝕產(chǎn)物而堵塞，其出口電磁閥和閘閥堵塞情況如圖7所示，進(jìn)而造成排氣不暢引起干式泵跳停。

圖7 干式泵出口電磁閥和閘閥堵塞情況

3 干式泵故障跳停的改進(jìn)措施

針對(duì)上述故障原因，結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從工藝、設(shè)備、管理等角度進(jìn)行改進(jìn)，以降低干式泵運(yùn)行故障頻次。

3.1 合理控制工藝操作

嚴(yán)格執(zhí)行裝置操作規(guī)程、工藝卡片等，精心操作相關(guān)程序，如控制HF 汽提塔塔底溫度在工藝卡片范圍，從源頭上減少HF 進(jìn)入分餾系統(tǒng)；C-405 精細(xì)調(diào)整塔頂回流，控制塔頂壓力，不讓油進(jìn)入不凝氣系統(tǒng)；上游脫氫裝置減小進(jìn)料溫度波動(dòng)，避免輕油進(jìn)入烷基化裝置；定期對(duì)V-421 進(jìn)行排凝等。

3.2 設(shè)備/管線更新及材質(zhì)升級(jí)

定期檢修更換涉酸管線和清洗換熱器（如C-405塔頂不凝氣線更換、E-434抽芯清理），以減少氫氟酸腐蝕帶來的腐蝕產(chǎn)物堆積。

此外，可采用Monel 合金鋼、四氟襯里的管線進(jìn)行升級(jí)改造。改進(jìn)后的裝置已將抽真空系統(tǒng)出口支管、總管由普通碳鋼管升級(jí)為四氟襯里管線。氫氟酸接觸不到金屬，就不會(huì)有腐蝕，從而可以大幅度降低堵塞的概率。

3.3 合理處置涉酸設(shè)備/管線

2021年裝置檢修時(shí)，V-421沒有檢修項(xiàng)目，對(duì)其進(jìn)行充N2保護(hù)，從而達(dá)到了一定的緩解效果，干式泵跳停次數(shù)降低至3次（表4）。因此，對(duì)于涉酸管線的檢修要合理處置：參與檢修的設(shè)備或管線，開工前要將表壁的腐蝕產(chǎn)物鏟除并清洗干凈；不參與檢修的設(shè)備，要用油或N2進(jìn)行保護(hù)，避免其接觸空氣，如空冷管束灌油保護(hù)等。

3.4 真空泵出口流程設(shè)置分液罐

為消除U 形管積液的影響，2021年裝置檢修時(shí)在U 形管低點(diǎn)排凝處增加了分液罐，并且排凝線由DN40 的普通碳鋼管線升級(jí)為DN50 的四氟襯里管線，改造后的流程見圖8，在出口U 形管低點(diǎn)處引管線至地面分液罐，暢通氣相出口，凝液因重力作用會(huì)自動(dòng)流入分液罐內(nèi)，當(dāng)罐內(nèi)凝液到指定液位后，關(guān)閉罐頂閥門打開N2將酸性凝液排至C-561循環(huán)堿泵入口，進(jìn)入中和系統(tǒng)。

圖8 抽真空系統(tǒng)出口工藝流程及其管線空間布局（改造后）

流程改造后，排凝操作更加便捷；含酸凝液由露天中和池排至C-561 進(jìn)行酸堿中和，更加安全環(huán)保。此外，可以停掉抽真空系統(tǒng)出口管線的蒸汽伴熱，以節(jié)省能源。

4 結(jié)語

1）干式泵故障跳停主要受氫氟酸腐蝕的影響，特別是當(dāng)負(fù)壓系統(tǒng)漏入空氣后腐蝕加劇，其腐蝕產(chǎn)物脫落進(jìn)入干式泵腔體造成跳停。此外，出口管線（帶液）堵塞、檢修時(shí)涉酸設(shè)備未作隔絕處理、進(jìn)料組分、溫度等都會(huì)干擾真空泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）生產(chǎn)中可采取以下措施降低干式泵跳停頻次：嚴(yán)格控制工藝操作參數(shù)，避免裝置波動(dòng)；定期檢修裝置，并做好檢修期間涉酸設(shè)備、管線的隔絕保護(hù)；選用四氟襯里管線、Monel 合金鋼等對(duì)管線進(jìn)行升級(jí)改造；在干式泵出口流程中合理設(shè)置分液罐等。

3）落實(shí)改進(jìn)措施后，裝置2021年7月開工至今，干式泵未發(fā)生跳停故障。