乙烯裂解炉急冷废热锅炉失效分析

工业炉 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 1 6 ， 3 7 ( 1 ) 3 2 P e t r o Ch e m i c a l Eq ui p me nt Te c hn ol og y 乙烯裂解炉急冷废热锅 炉失效分 析 黄 嗣 罗 ( 茂 名重力石化机械 制造有限公司， 广东 茂名 5 2 5 0 2 4 ) 摘 要 ： 针对 急冷废热锅 炉连接件 内管失效问题 ， 通过化 学成分 、 断 口的宏观与微观形貌 、 微观 组织及 能 谱 分析 等各种分析研 究表明 ， 断 口位 于 内管上 冷却 介质的 出口侧 管正对的位置 ， 内管外表面环向存在 明显的 腐蚀与 中刷痕迹 。外管流道尺寸 突变， 冷却介 质在侧 管正对的 内管上产生一定的流体反 向压 力， 是导致断 口 开裂的主要 力学 因素 。其次 ， 断 口局部 长期 高温导致管材珠 光体 中的碳化物球化并渗碳 ， 材料性 能劣化 。另 外 ， 内管外壁 断 口部位发 生冲刷 腐蚀 ， 造成环 向冲刷腐蚀 凹槽 ， 降低 了该部位的结构 强度 ， 导致该部位优先开 裂 。建议加强对急冷废热锅 炉高压部分 的监控 ， 定期排 污， 防止堵 塞引起局部 长时 间超 温导致渗碳 ； 同时调 整流体流动布局 ， 减低 冲刷 腐蚀带来的影响 。 关键词 ： 急冷废热锅炉 开裂失效 冲刷腐蚀 渗碳 乙烯 裂解 炉 T I E( Tr a n s f e r L i n e E x c h a n g e r ) 急冷废热锅炉， 其为线性双套管式废热锅炉， 一般 都在高温高压条件下操作 。这种结构适用于大蒸 发量、 大温差、 高温、 高蒸汽压 、 高传热速率以及高 压气体 的工况 。裂解 气在 冷却 过程 中会 发生 二 次 反应 ， 容 易导 致 乙烯 、 丙烯 等 收 率 降 低 。 因此 ， 就 需要 在极 短 的时 间 内把 裂 解 气 冷 却 下来 ， 以 抑制 二次反应的发生 。自 2 0世纪 6 O年代以来 ， 就开 发了用高压水 问接冷却 的装置 急冷废热 锅 炉。高压急冷锅炉既能抑制二次反应 ， 又能 回收 裂解 气 的热量 ， 副 产高 压蒸 汽 ， 高 压蒸 汽又 可作 为 本装置的动力 ， 驱动裂解气压缩机。因此可见 ， 急 冷废热锅炉对乙烯装置的稳定运行 、 节能降耗具 有 重要 的意 义n 】 。 某 石化 乙烯 厂 的 1台 “ 倒 U 型” 线 性 套 管 式 急冷废 热锅 炉在 运行 过程 中发 现有 1 条 内管 在高 压蒸 汽水 出 口部 位 发 生开 裂 穿 孔 ， 由于 外管 中蒸 汽压 力远 大 于 内管 介 质压 力 ， 导 致 大 量 的蒸 汽 和 水窜入内管 ， 造成系统停车抢修 。因此， 分析穿孔 泄漏 的原 因， 有针对性的制定预防措施 ， 对裂解装 置的设计 、 制造及运行均具有重要的指导和借鉴 意 义 。 1 失效 急 冷废 热锅炉 结构 与 内管材 料分 析 某 乙烯厂急冷废 热锅炉为“ 倒 u 型” 线性套 管式结构 ， 由叉型锥体、 内管、 外管 、 侧支管和上下 连接件 以及集箱组 成， 如 图 1所示 ， 设计参数 如 表 1 所 示 。 开 裂 穿 孑 L 位 置 图 1 急 冷废 热锅 炉 示 意 急 冷废 热锅 炉 开裂位 置 的详细结 构 如 图 2所 示 。内管 通 5 5 0。 C的 乙烯 裂 解 气 ， 外 管 则 通 3 4 6 的高 压 水 和蒸 汽 ， 然 后 从侧 支 管 流 出 。连接 件 内管 与 外 管 之 间 的 流 道 截 面 积 为 3 8 2 1 O 。 mm ， 侧 支管 的流道 截面 积为 1 6 6 l O 。mm ， 在 流 量一定 的情 况 下 ， 侧 支 管 处 高压 水 和蒸 汽 的流 速 最高 可达 管 问流速 的 2 3 倍 。当高 压 水 和蒸 汽 通过侧支管 口时， 流体从均匀流迅速变为非均匀 流 ， 不 可避 免 地会 在 侧 支 管 管 口处 形 成 涡 流 。仔 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 1 8 。 作者简 介： 黄嗣 罗， 2 0 0 3年 毕业 于西安 交通 大学 焊接专 业 ， 硕士 ， 主要从事焊 接冶金研究 及失效分 析等工 作 ， 已发表论 文 1 O余篇 ， 高级工程 师。 E ma i l ： g d mmh s l 1 6 3 c o rn 。 石油化工设备技术 2 )流道结构。断 口位于外管 内冷却介质 的 出口位置， 是正常流动 的汽 液介质发生 9 O 。 方 向 改 变 ， 见 图 8 。连 接 件 内 管 与外 管 之 间 的流 道 截 面 积 为 3 8 2 1 0 。mm ， 侧 支 管 的 流 道 截 面 积 为 1 6 6 1 0 。 mm。 ， 在 流量 一 定 的情 况下 ， 侧 支 管处 高压 水和蒸 汽的流速最 高可达 管间流速 的 2 3 倍 。因侧管流道尺寸缩小 的原 因， 在该位置发生 流体拥堵 ， 势必会在侧管正对的内管上产生一定 的流体反 向压力 ， 这种压力可能就是导致断 口开 裂 的主要 力学 因素 。冷 却介 质沿 内管 轴 向 向上 流 动 ， 到断 口高 度位 置发 生方 向改 变 ， 沿 内管 环 向的 流动， 导致断 口高度位置 的环 向冲刷 ， 为此 ， 扫描 电镜下 观察 到 的断 口位置 的环 向 冲刷痕 迹就 不难 理 解 了 。 外管 图 8断 口逼 冲 刷 不 惹 3 )碳 化 物 球 化 和 渗 碳 。 内管 1 3 C r Mo 4 5 钢处 在 AC 1以下 的温 度 区 间 内 的组 织会 发 生 碳 化物 球化 现象 】 ， 见 图 7 ( a ) 图 7 ( c ) 。珠光 体 中 碳化物的轻微球化， 会导致其强度的下降， 增加塑 性 。但 由于强碳化物元素 C r 和 Mo的存在 ， 这种 现象会得到一定的缓解。前已叙及 ， 微观组织分 析发现断 口附近位置发 生 了一定程度 的渗碳现 象。断口位于乙烯 裂解气入 口附近 ， 其操作 温度 较高 ， 易导致渗碳现象。随着服役时间的延长， 进 入内管的 C含量增加， 渗入 的 C集 中在 晶界处 ， 严重削弱了管壁强度 ， 增大其脆性 ， 至此 ， 就不难 理解断 口区域硬度高于 内管其它 区域 的原因了。 另外 ， 渗碳会使金属体积膨胀、 渗碳层 的热膨胀系 数降低 ， 小于非渗碳层部分的热膨胀系数 ， 在反复 的升降温或温度波动 的过程 中， 渗碳层与非渗碳 层间存在着变形不协调 的应力， 应力会随温度 的 变动而变动 ； 同时， 炉管渗碳层为非共晶体 ， 其微 观 组 织 中各 部 分 的韧 性 和 硬 度 差 别很 大 ， 在 热疲 劳的作用下 ， 渗碳层 中易 于产生微小裂纹u 。因 此， 断 口部位长时间的高温环境所导致的珠光体 中碳 化物球 化 和 渗碳 问题 ， 可能 是 断 口产 生 的 主 要 内在 因素之 一 。 4 )高温 。内管外壁接触 的高温、 高压水一 汽 混合物是 1 种强氧化剂。 在高温下水会与铁发生 氧化 腐蚀 反 应 。 5 )冲刷腐 蚀 。断 口处渗 碳 严重 ， 化 学 成分 严 重 不 均 匀 性 ， 具 备 产 生 局 部 电化 学 腐 蚀 的 条 件 。 断 口附近 区域是 高压水 一 汽混合 介 质流 向发生 9 O 。 改变 ， 在低速条件下 ， 金属相当于处于层流区内， 供氧量较少， 能形成保护膜 ， 流体对金属 的剪切应 力小 ， 不会破坏保护膜 ， 冲刷腐蚀比较缓慢。当流 速增至出现湍流时， 湍流液体击穿 了紧贴金属表 面的边界层 ， 这不仅加速 了腐蚀剂的供应和腐蚀 产物的转移 ， 同时增加 了流体与金属之 间的剪切 应力 。这种应力会将金属腐蚀产物( 包括保护膜) 从基体上被拉下 ， 撕开并冲走 ， 使保护膜发生一定 程度的破坏 ， 同时流体无规则地剧烈冲击金 属表 面， 促进 冲刷腐蚀 。环向流速 的差异导致 了断 口 位 置壁 厚在 2 3 4 7 1 8 mm 变 化 ， 并 形 成 了 环形 冲刷 腐蚀 凹槽 ， 见 图 5 。断 口位 置 环 向 冲刷 腐 蚀 凹槽的形成 ， 降低了该位置的结构强度 。所 以， 冲 刷腐 蚀也 是导 致断 口产 生 的主要 原 因之一 。 分析可知 ， 内管上部断 口部位 的组织变化 、 冲 刷腐蚀主要与断 口部位温度存在直接关系。该位 置 操作 温度 高 、 介 质 流速变 化大 、 流场 复 杂是导 致 断 口产 生 的 主要 外 在 因 素 。所 以 ， 通 过设 计 流 线 型无死角的结构， 减 少阻力来保证外管 内冷却介 质 的畅通 是 防止断 口发生 的 主要措 施 。 5 结 语 针对 急冷 废热 锅 炉 连 接 件 内 管 断 口问题 ， 通 过化 学成 分分 析 、 断 口的宏 观与微 观分 析 、 微观 组 织分析及能谱分析进行了比较详细 的分析， 得出 如 下主要 结论 ： 1 )断口位于外管 内冷却介质 的出口侧管正 对 位置 。 2 )外管内冷却介 质在侧管正对 的内管上产 生一定 的流体反向压力 ； 冷却介质在该位置产生 沿 内管 的环流 。 3 )珠光体 中碳化物球化和渗碳问题 ， 可能是 ( 下转 第 3 9页 ) 第 3 7卷第 1 期 李冬毓等 奥氏体不锈钢管道焊缝无间隙 G TAW 自熔焊接打底技术的应用 焊透 、 未熔合等缺陷 ， 余高1 mm。 对焊接接头进行 了剖面宏观金相检验， 焊缝 熔合 良好 ， 未发现未焊透、 未熔合等缺陷。宏观金 相见 图 1 。 表 5 弯 曲试 验结果 试样厚 ram 1 7 1 7 1 7 1 7 孝廊直径屈 脚l 嘉霪 鬻 簿 誊 蠹 占 8 黪 弯 曲角度 。 1 8 0 1 8 0 1 8 0 1 8 0 | 斌 蹬 缯； 器| 譬蒯 | 鑫 孽 裂 纹鏊蘩竞 霉 黪鬟 j 犁纹 誊 图 l宏 观 金 相 示 意 按照标准 ， 对两件整根试件进行拉伸 ， 抗伸强 度均达到 3 1 6 L材质的标准要求 。弯曲检验符合 N B T 4 7 0 1 4 2 0 1 1标 承压设备焊接工艺评定 准的要求 ， 未 发现裂纹。同时， 按 AS TM A1 6 2 1 0方法 E， 试样在硫酸一 硫酸铜一 铜屑溶液 中进行 1 5 h沸腾试验 ， 经检验试样无 晶间腐蚀裂纹 。 6无间 隙 自熔 技 术的应 用结 果 焊接工艺评定试验合格后 ， 按照形成 的焊接 工艺指 导 书 ， 对 施 工 焊 工进 行 了焊 接 工艺 交 底 和 强化 培 训 ， 并 经 过 现 场 考 试 合 格 后 ， 方 可 进 行 施 焊。通过采用管道焊缝无 间隙 GTA W 自熔焊接 打底技术 ， 南京某厂检修的 5 1 6道奥 氏体不锈钢 伴热管焊 口， 抽查检验 比例为 1 0 ， 共计 X射线 探伤了 5 2道焊缝， 合格 5 O道 ， 其中 2道出现了未 焊透缺 陷， 经过返修合格 ， 一次焊接合格率达到 9 6 ， 从 某 厂近 年反 馈结果 来看 ， 再 未发 现不锈 钢 伴热管堵塞 的现象 。 7 结语 通过 此 次奥 氏体 不 锈 钢 管道 焊 缝 无 间隙 G TAW 自熔焊接打底技术的应用 ， 从焊缝外观、 机械力学性能和抗 晶间腐蚀性 能等来看 ， 均能满 足相关标准及使用性能 的要求， 此焊接方法 同样 可以应用到其它薄壁有 色金属 ( 镍基合金 、 钛合 金 、 铜及名铜合金等) 材质的焊接。 ( 上 接 第 3 6页 ) 断 口产 生 的主要 内在 因素 之一 。 4 )断 口位置操作温度 高是导致断 口产生 的 主要外在因素。 5 )冲刷 腐蚀 是导 致 断 口产 生 的主 要原 因 之 一 。 建议加强对急冷废热锅 炉高压部分 的监控 ， 定 期对 废 热 锅 炉 及 汽 包 进 行 连 续 排 污 或 间 断 排 污 ， 防止 污垢堵塞集合管 ， 造成冷却介质分布不 均 ， 引起 长时间超温渗碳 ； 同时调整流体流动布 局 ， 减低 冲刷腐蚀带来 的影响。 参 考文 献 ： 1 古大田， 方子风 废热锅炉 M 北京： 化学工业出 版社 ， 2 0 1 2 2 谭毅 ， 王 富 岗， 李德 俊 ， 等乙烯 裂解 管减 薄损 伤及 寿命预 测 方 法 J 大 连 理 工 大 学 学 报 ， 1 9 9 0 ， 3 0 ( 6)： 6 87 69 2 3 黄靖 国 乙烷炉急冷换热器失效分 析及修复 J 压 力容器 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 3 ) ： 4 1 4 5 4 刘刚 ， 蒋 晓东 乙烯裂 解炉 炉管腐 蚀穿 孔失 效分 析 E J 腐蚀 与防护 ， 2 0 1 5 ， 3 6 ( 5 ) ： 5 0 2 5 0 5 E 5 耿鲁 阳， 巩建明 ， 姜勇 对多起 乙烯 裂解炉 HP型 炉 管失效 原 因 的分 析 总 结 J 压 力 容 器 ， 2 0 1 l ， 2 8 ( 1 2 ) ： 4 8 5 3 6 李处森 ， 杨 院生 金属 材料 在高 温碳气 氛 中的结 焦 与渗碳 行 为 J 中 国 腐 蚀 与 防 护 学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 3 )：