催化裂化装置高温烟气管道膨胀节损坏原因分析及改进措施VIP

腐蚀 与防护 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 3 ) 7 P e t r o c he mi c a l Equ i pme nt Te c h no l o gy 催化 裂化装置高温烟气管道膨胀节损坏 原 因分析及改进措施 宁德 君 ( 中国石油锦 西石化分公 司， 辽 宁 葫芦 岛 1 2 5 0 0 1 ) 摘 要 ： 介 绍 了催 化 裂化 装 置 烟 机 入 口暖 管道 膨 胀 节 腐 蚀 爆 裂 的情 况 ， 分 析 了膨 胀 节 爆 裂 和 腐 蚀 的 原 因。并就膨胀节防止腐蚀提 出了几点措施 ， 对今后 类似部位使 用的膨胀节提 出了建议。 关 键 词 ： 膨 胀 节 爆 裂 腐 蚀 防 护 锦西 石化分 公 司 1 0 0 0 k t a 催 化裂 化装 置烟 机 暖机线横 管段膨 胀节 在正 常运行 过程 中突然 发 生爆裂 ， 造成 烟 气大量外 泄 ， 现 场人员 无法 靠近关 闭阀门 ， 致 使 烟 气 轮 机 停 运 9 h 。爆 裂 的波 纹 管 碎 片大小不 等 ， 并且 另外 两个膨 胀节 也腐蚀 穿孔 。 1 膨 胀节投 用和腐 蚀概 况 烟机暖机管道上有 3个膨胀节， 其中横管段 上的膨胀 节发 生爆 裂 ， 立 管 段 上 的两 个 膨胀 节 也 发 生 了腐 蚀 穿 孔 ( 此 3个膨 胀 节 的 材 质 均 为 1 n c o l o y 8 0 0 ) 。烟气轮 机开机 前 需 暖机 ， 烟 气通 过 暖 管进 人烟 气轮机 ， 称暖 机工况 。 暖管安装 示 意见 图 1 。 暖机时 主管 上 的 高 温 闸 阀 3 、 高 温蝶 阀 4全 部关 闭 ， 没有 烟气通 过 。在正 常生产工 况 时 ， 暖管 截止 阀 9打开 ， 关 闭截止 阀 7 ， 此 时 主 管上 高 温 闸 阀 3 、 高 温蝶 阀 4有 烟 气 流通 ， 而 暖 管无 烟 气 流 通 。由于关闭 截止 阀 7 ， 烟气经 主管 道和截 止 阀 9 进入 暖 管 ， 截止 阀 7 位 置为 盲区 ， 烟气产 生涡 流使 烟气 返 回 ， 在立 管段 上 部 波纹 管 的 上边 波 圆弧 部 位停 留和富集 ， 造成波 纹管 的腐蚀 穿孔 和爆裂 。 2 膨 胀节 失效原 因分 析 由于催 化反应一 再 生系 统 的操作 条 件苛 刻 ， 腐 蚀性 极 强 ， 烟 气 中 的 催 化剂 对 设 备 冲刷 严 重 ， 因 此 ， 波 纹管在 条件适 宜 的情况 下 ， 长则 数月 短则数 天就发生失效。其腐蚀失效形式主要表现为波纹 管的穿 孔和 开裂 。 2 1 暖管水 平段 DN 3 0 0单 式铰 链型 膨胀 节爆 裂 原 因分 析 暖管水平 段波纹 管爆裂 原 因是 晶间腐蚀 和 晶 问型应力腐蚀混合型。导致晶间腐蚀和晶间型应 力腐蚀 混合 型发 生的 主要 因素如下 ： 4 5 0 图 1 烟机人 口暖管( 含膨张节) 安装示意 1 ， 2 D N3 0 0单式绞链型膨胀节( 立管段) ； 3 高温闸阎； 4 高温蝶 阀； 5 暖管 ； 6 主管( D N1 3 0 0 D N1 0 0 0 ) ； 7 ， 9 截止阀； 8 D N3 0 0单式绞链 型膨胀节( 水平段) ( 1 )通 过合 肥通用 机械 研究 所对 水 平段 波纹 收稿 日期： 2 0 1 0 - 0 卜1 4 。 作者简介： 宁德君 ， 男 ， 2 0 0 5年 毕业 于天津 大学 机 械 自动化 专业 ， 现在锦西石化分公 司机械动力 处工作 ， 工程师 。已发 表论文 l 2篇 。 E ma i l ： n i n g d e j u n pe t r o c h i n a C O rn， c n 8 石油化工设备技术2011年 管力学性能试 验和硬度测定，水 平段波 纹管存在 冷作硬化，且硬 度值高于 立管段的波纹管，材料延 伸率较低。 In coloy800存 在高温敏 化现象 ，硬 化 后 的In col oy800对晶间腐蚀 更为敏感 ，这是水平 段波纹管产生晶间腐蚀与晶间型应 力腐蚀 混合型 的直接原 因之 。 (2)In coloy800属铁基镍 合金，相对于 一 般 奥 氏体不锈钢，有较好的抗 氧化性能，但存在高温 敏 化现象，在650 。C 运行 易发生晶 间腐蚀倾 向。 材料含碳 量较高，高温下运行 易出 现晶间敏 化现 象。晶间腐蚀 随含碳 量增加而严重。 (3)波纹管制 造和成形 过 程中，存在 残余拉 应力，在运行过 程中存 在较大的工作应 力，这是加 速水平段波纹管产生晶间腐蚀与晶间型应 力腐蚀 混合型的 内在因素。 (4)在 内压应力和加工残余应力(没有经过 固熔处理)以及烟 气成分 中硫、氧、硫 酸根 (S O。 )等有害介质 共同作用 下，易发生晶 间腐 蚀和晶间型应力腐蚀 破 坏。 (5)暖管水 平段波纹管宏观断口呈脆性断 裂 ，波峰硬度指标较高而材料延伸率较低 。 (6) 三旋 出口高温烟气中含 有硫化 物、氮化 物，还有衍 生 的亚硫酸等 ，操 作温度高，环境恶劣， 有害离子 在波纹管 内浓缩、富集 ，这是暖机管道膨 胀节 发生晶间腐蚀 和晶间型应力腐蚀的环境(介 质)因素。 (7)对 暖管水平段波纹管波形参数测定和材 料化学成分分析结果及进行应力 计 算 表明，水平 段 DN300 单式铰链型膨 胀节在 设计压力 035MPa、设 计温度680条 件下，采用 In coloy800材质制造波 纹管，壁厚08mm 两层 (即们d 一 2x08mm)满足 不了强度要求 ，且强度 值低于 立管段波纹管强度值。 (8)西航集团对膨胀节腐蚀产物的能谱成分 分析结果表明，该 材料(Incol oy800)的特 定腐蚀 环境，主要是O、Na、S元素，而 Al 、Si、Ca为灰尘 元素。断口裂纹 由内表面起 始 向外表面扩展，残 片断口均 为沿晶断 裂，二次裂 纹 明显可见。材料 已明显脆化。原材料金相组织未见异常，膨 胀 节 残片抛光状 态可见到 由 内表面 开始的沿晶裂纹， 有明显分叉 ，组织未见明显变化。由此可认为，膨 胀节内有腐蚀环境 ，内压和工作时 的变形应力使 其 内表面存在拉应 力 ，这是造成In coloy800产生 应力腐蚀裂纹 的条件 。裂 纹扩展到 一 定程度即可 发生爆 裂。 22 暖管立管段DN 300单式铰链 型膨胀节腐蚀 穿孔原 因分 析 由于此膨胀节用于烟气轮机的 暖管上，在 暖 机的时候烟气正常通过，前后手阀均打开，烟气的 温度 为650，此时远高于露点温度，不会发生露 点腐蚀。 3月17日6：30到14 ：00为暖机状态。 3月1 7Ft14 ：00以后 暖机线 前手 阀关 闭，正常开 机，但后手 阀未关，后手阀与烟机入口烟 道 相通， 烟气产生 涡流 ，使烟气返回，在立管段上部波纹管 的上边波 圆弧部位停留和富集，造成腐蚀穿孔，腐 蚀情况见图2。 图2波 纹管 腐蚀穿孔情况 立管段膨胀节波纹管腐蚀穿孔原因： (1) “ 露点 ” 腐蚀穿孔(烟气的酸露点温度为 酸凝结 速度与酸蒸发速度相等时 的烟气温度)。 经2004年5月27日的测试显示，烟气露点 温度 为 148 。C ，露点温度值与烟气成分有 关。烟 气成分分析结果见表 l。 表I烟气 成分 分 析 结 果 从表1可见，高温烟气中含有二氧化硫 、氧气 第 3 2卷第 3 期 宁德君催化裂 化装置高温烟气管道膨胀节损坏原因分析及改进措施 和水 ， 通 常二 氧化硫 约有 1 3 转 化为 三 氧化 硫 ， 三 氧化硫 与高 温 烟气 中 的水蒸 气 化 合形 成 硫 酸 蒸 汽 ， 这 便 提 高 了 露 点 温 度 ， 称 为 烟 气 露 点 温 度 ， 即烟气 露点 温度 随三氧化 硫含量 增加 而升 高 。 而烟 气轮 机正 常工 况 下 暖管 不 热 ， 波 纹管 外 壁 温 度约 5 O 1 0 0 C， 所 以波 纹 管 在 烟 气 轮 机工 作 状 态时 壁温低 于烟 气 的露 点 温 度 ， 此 时硫 酸 蒸 汽在 波纹管 表 面冷凝 生成 稀 硫 酸 ， 产 生低 温 硫 酸露 点 腐蚀。另一方面高温烟气中的二氧化硫与水蒸气 化合 生成亚硫 酸 ， 亚 硫 酸再 与 氧结 合 也 同样生 成 稀硫 酸 ， 在 波纹 管 低 温 区域 产 生 硫 酸 露 点 腐 蚀 。 形 成 F e S O 一 F e ( S O ) 一 F e S ( ) 的腐 蚀 循 环 ， 大 大加快 了腐 蚀进程 。 ( 2 )再生 烟气 中的氯 化物 来 自含 氯原料 的催 化 分解 ， 波纹管 隔热 材 料 ( 硅 酸 铝纤 维 ) 也 存 在 少 量 C 1 成 分 等 。它 们 溶 解 在 波 纹 管 内表 面 波 峰 ( 谷 ) 处的冷 凝液 中 ， 形成 含氯腐 蚀介 质 ， 当其 浓度 超过产 生点 蚀的 临 界浓 度 时 ， 就 会 在波 峰 ( 谷 ) 处 产生点蚀孔 。随着点蚀 的不断发展最终导致穿孑 L 。 ( 3 )烟气 中催 化 剂 的磨 蚀 和 冲蚀 ， 是 引起 波 纹 管局部 腐蚀 或穿孔 的另一 个 主要 原 因 。 ( 4 )波 纹管 在制造 过 程 中 ， 存 在 残余应 力 ， 在 运 行过程 中存 在较 高 的工作 应 力 ， 在 腐蚀 环 境 下 加 速波纹 管应力腐 蚀失 效 。 3膨 胀节 防腐措 施 3 1 管道设计 重 新核算 管道 的设计 ， 必要 时进行 更改 ， 还可 以通过设 计重 新对 管道进 行布局 ， 消 除应力 ， 或不 采用膨胀 节 。 3 2波 纹管设计 合肥 通用机 械研究 所对 暖管水 平段 波纹管 波 形参 数 的测 定 和对 材 料化 学 成 分分 析 结 果 表 明 ， 采用 I n c o l o y 8 0 0材 质制 造 波 纹 管 ， 壁厚 0 8 mm 两层 ( 即 一2 0 8 ram) 满 足不 了强度要 求 ， 且 强度值 低于 立 管段 波 纹 管强 度 值 。 因此 ， 应重 新 选 择波 纹管参 数 ( 叫一矗 一5 0 、 ， ” 一1 、 1 5 ram) ， 其材质宜采用 I n c o n e 1 6 2 5 L C F 。立管段波纹管增 加 波数 ， 即 由 4波 改 为 5波 。波 纹 管厚 度 应大 于 1 2 mit t 。波纹 管成形 后要进 行 固熔处理 ， 增加 波 纹 管 内部 导流简 并采用 内隔热外保 温结构 。加 强 制造和 安装过 程 中波 纹管 表面质 量控 制 。 3 3工 艺操作 ( 1 )尽量 减 少 开 停 车 次 数 ， 这样 既 可 以减 少 停 机期 问波纹 管 处产 生 连 多硫 酸 的 可 能 ， 又可 避 免 因热疲 劳造 成损伤 。 ( 2 )在停机期 间对波纹管进行通氮气保 护， 防止 连多硫 酸 的生 成 ， 或 用碱 液 进 行 局部 刷 涂 清 洗 ， 将 波 纹管 表 面生成 的连多 硫 酸 中和掉 ( 使 p H 值 大 于 5 ) 。 ( 3 )在停车期间避免用蒸汽扫线波纹管 。对 波 纹 管 来 说 ， 各 种 腐 蚀 基 本 为 电化 学 腐 蚀 ， 避 免 用 蒸汽 扫 线 ， 可 防止 在役 中的波 纹 管表 面 电解 质 的形 成 ， 对 防 止 波 纹 管 的腐 蚀 穿 孔 和 开 裂 均 有 好 处 。 ( 4 )在 烟气轮 机暖机 完毕 正 常开 机后 即把 暖 机 管道前 后手 阀关 闭 ， 防止 烟气 在 暖 管 内 富集 而 长期 处 于露点 温度 之 下 ， 这样 就 可 以减 少 在 暖 管 道内产生露点腐蚀的机率。 通 过对 上述方 案 的对 比论 证并 重新进行 了核 算 ， 最终 确定 了第 一种方 案为最 佳方 案 ， 就是 重新 核算管道 的设 计 ， 对 管道 布局进 行 了改进 ， 消除应 力 ， 不采 用膨胀 节 。改造后 的暧 机管见 图 3 。 、 、 P S - 2 P S l PS -3 1 A 见支磐 配乐瘟 一 1 l 8 4 0 1 8 4 0 一 一I f 广 1 I 网 I 3 O 0 - U j 6 7I 9 9 () 2 8 8 o 5 0 0 34 6 6 2 0 3暖 机 管 改 造 后 不 意 4 结 语 催 化裂 化装 置 中高 温烟气 管道膨 胀节 的腐蚀 穿孑 L 和爆裂是多种因素综合作用的结果。其中烟 机暖管 水平段