催化裂化装置用膨胀节失效案例分析及壁温对其寿命的影响.pdf
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1、3 6 催化裂化装置用膨胀节失效案例分析及壁温对其寿命的影响 催化裂化装置用膨胀节失效案例分析及壁温对其寿命的影响 项忠维h。 莫剑。 喻健良。 马 路。 陈学安 邹晓昆 李锋 原 欣 ( 1 大连石化公司,2 扬子石化公司,3 大连理工大学) 摘 要 在查阅文献基础上,整理了国内主要催化裂化装置膨胀节的失效案例,并 分析了产生失效的主要原因。首次用远红外测温仪对装置中的膨胀节进行了温度分 布测量,发现垂直安装的膨胀节温度分布比较均匀,而水平安装和倾斜安装的膨胀 节最低点的温度最低,最高点温度最高。分析认为,产生这种温度分布的原因是催 化剂粉尘在最低点不断沉积导致膨胀节最低点壁温逐渐降低。并认
2、为水平安装和倾 斜安装的膨胀节容易失效也是由于催化剂粉尘不断沉积导致壁温低于露点温度从而 引起应力腐蚀开裂。并提出了避免最低点温度降低的措施,以提高膨胀节的寿命。 关键词 膨胀节 催化裂化装置 应力腐蚀 失效 1 前言 催化裂化 F C C U装置用膨胀节寿命较短的问题阻 碍着装置的长周期运行。尽管有很多关于膨胀节失效 分析的研究报道,并提出了许多提高寿命的措施,但 是, 膨胀节短期失效的现象仍广泛存在, 严重影响了装 置的安全运行。 因此, 确定膨胀节的失效原因, 并提出 有效的防治措施, 是需要开展的一项有意义的工作。 本 文在大量调研的基础上,列举了典型膨胀节的失效案 例, 综合了他人对
3、膨胀节失效原因的分析。 考虑到壁温 是影响膨胀节寿命的主要因素,笔者以大连石化分公 司四催化车问膨胀节为研究对象,对典型膨胀节波峰 的温度分布进行了详细的测试,首次分析了这种温度 分布对膨胀节失效的影响。这对深入分析膨胀节的失 效原因,采取有效措施提高膨胀节的寿命具有非常重 要的意义。 2 失效案例及原因分析 2 1 吉化公司炼油厂 *大连石化 。 膨胀节寿命预测”科技项 目;2 0 0 2 0 1 * 项忠维,男1 9 6 5 年生。工程师。大连市,1 1 6 0 1 2 。 吉化公司炼油厂催化车间烟道管线共有 1 2台膨 胀节, 从 1 9 9 4年运行到 1 9 9 5 年仅一年时间,
4、就有 5台 膨胀节出现腐蚀穿孔。1 9 9 6年检修后有2台 D NI S 0 0 膨胀节出现裂纹,1 9 9 7年又有三台( 一台D N 1 2 0 0 、 二 台D N 1 8 0 0 ) 出现了腐蚀裂纹 剩余的几台虽未发现裂 纹, 但也已经出现了不同程度的腐蚀现象。 波纹管膨胀 节的损坏部位多集中在三旋出口至烟气入口段,尤以 烟气出入口水平波纹管为最严重。 2 2 兰州炼油化工总厂_ 2 兰州炼油化工总厂一套催化裂化装置,自1 9 8 9 年 5 月建成投产以来, 在开工升温、气密试验过程中, 先 后发现后置烧焦罐膨胀节、 提升管反应器膨胀节、 再生 斜管膨胀节等产生泄漏,泄漏处裂纹主要
5、分布在波峰 与波面过渡部位, 其表面出现针状的点蚀穿孔、 晶间裂 纹等,于是被迫停车更换。后置烧焦罐膨胀节为 D N1 2 0 0 ,4 波单层( 厚 1 5 mm) ,材质为 1 C r 1 8 Ni 9 T i 。 在气密试验过程中, 该膨胀节出现泄漏。 停车检查时发 现,在波峰与波面过渡部位有数条纵向裂纹,最长为 3 0 mm, 最短在1 0 mm以下, 波面过渡部位有点蚀渗漏 现象。 其裂纹开裂平直无塑性变形, 内壁附着物主要组 维普资讯 http:/ 化工装备技术第2 6 卷 第 1 期 2 0 0 5年 3 7 成为催化剂, 断口腐蚀产物中含有母材的成分 F e 、 C r 、 N
6、 i 等,腐蚀产物中有明显的氯离子富集。提升管反应 器上的膨胀节,一般均布置在进料喷嘴以下( 前) 的主 管或斜管段上。 设计压力约 0 2 7 MP a , 介质温度 6 7 O 7 5 0 C。 设计温度3 5 0 C, 内套筒中设计有吹扫蒸汽和内 塞填料。膨胀节 D N 8 0 0 四波单层,厚度 1 5 mm, 材 质 1 C r l 8 N i 9 T i 。 膨胀节在 1 9 9 1 年开工升温、 气密检查 过程中( 温度 8 0 C 压力 0 2 MP a ) 发生泄漏, 焊堵多次 仍漏烟气和催化剂。 停车检查发现, 在第二个波谷处有 一 条 1 6 0 m m长的环向裂纹。裂纹
7、邻近 1 0 0 m m左右的 波面过渡部位有渗漏点蚀面积约 7 0 mm2 0 mm,裂 纹平直, 无塑性变形。 断口形貌呈穿晶型, 其扩展区伴 有二次裂纹, 整个形貌属准解理的。 另外, 内壁附着物 和腐蚀产物中有明显的氯离子富集且高达 3 9 1 ,判 断结果为氯离子应力腐蚀开裂。再生斜管膨胀节为 D N 8 0 0 , 二组五波单层波形, 厚度为1 5 mm, 其材质为 0 C r l 7 N i l 2 Mo 2 T i ,膨胀节导流简内填充陶纤毡材料, 工作温度 5 5 O 6 0 0 C, 介质为催化剂和烟气。 在装置开 车不久, 膨胀节波峰、 波谷多处发生腐蚀泄漏, 并渗出 绿
8、色胶状物及黄色掺杂物。刮除腐蚀产物后可发现腐 蚀部位皆是肉眼难以看清的小点蚀孔,采用粘接剂几 次堵漏都无法解决。 由于腐蚀及催化剂磨损 造成该膨 胀节开裂。 2 3 宁夏灵武马家滩炼油厂 马家滩炼油厂1 O 万t a 的R F C C装置再生器二级 旋风 分离器料腿 安装 有冷壁 式膨胀 节,其总 长 】 8 5 0 m m波数为 1 O 波,波纹管材质 0 C r l 9 N i 9 ,温度 7 2 0 C, 压力0 2 5 MP a 。内管带耐磨衬里,内管与膨胀 节波纹管之间的夹层充装有隔热软填料,介质为催化 剂和烟气。 烟气组成: W( C O) 一0 1 3 , W( C O z )
9、一 1 2 1 3 , W( 0 2 ) 一1 5 3 0 , W( N 2 ) =7 1 7 2 , W( H O) :1 0 1 2 , 以及渣油中硫化物在再 生烧焦过程中生成的Hz S和S O 。H z S和 S O 随烟气 进入膨胀节夹层, 上升至波纹管顶部积聚, 由于夹层中 有隔热软填料, 使膨胀节波纹管表面温度达到6 0 C, 硫 化物导致波纹管露点腐蚀, 出现点蚀孔, 并泄漏出黄色 腐蚀物。 另外, 膨胀节在制造、 安装、 使用和停车各阶段 产生的拉应力、 压应力以及残余应力, 也加剧了腐蚀孔 的扩展并增多, 最终导致波纹管失效。 1 O 万 t a 、 6 万 t a 两套R
10、F C C装置中的提升管底 部、 烟道及一级旋风分离器料腿部位安装热壁式膨胀 节, 其波纹管材质、 温度及压力与冷壁式相同, 内设导 流筒, 导流筒与膨胀节波纹管之间通有保护蒸汽t 波纹 管的表面温度超过 3 2 0 C。 由于蒸汽中不可避免地携带 氯离子C l 一 , 其在膨胀节的波峰与波谷上积聚, 质量浓 度升高, 构成对波纹管的腐蚀环境, 同时反应再生过程 中生成少量H S和 S 0 , 随烟气携带的催化剂颗粒一 起沉积在波纹管上。 波纹管受到0 和烟气中H S的腐 蚀而生成F e S , 然后在 0 z 和Hz 0的联合作用下生成连 多硫酸, 对波纹管产生腐蚀而出现穿孔。经色谱分析,
11、腐蚀产物中氯离子含量为 5 6 8 5 , 同时还含有少量 S 。资料表 明, 氯 离子 含量 仅 1 1 O 时就 有 对 0 C r l 9 N i 9 产生腐蚀开裂的先例, 而实际的氯离子含量 如此之高, 所以腐蚀十分严重。在应力作用下, 裂纹扩 展迅速, 孔蚀加剧扩展, 并泄漏出墨绿色粘稠物。 2 4 武汉石油化工厂 。 在五年的运行中, 该厂 1 8 8 钢波纹管膨胀节更 换了9 次。由于各波纹管的工况不同, 使用寿命也有一 定的差别, 运行时间最长的也只有两年半, 有的在开机 过程中即发生破坏 2 5 独山子石化总厂l_ 】 该厂 8 0 t a高低并列式提升管催化裂化装置, 待
12、生、 再生斜管膨胀节结构型式为上、 下波纹管合一的复 式膨胀节, 波纹管规格为D N8 0 0 mm, 波高 6 5 mm, 波距 6 5 m m, 波壳 厚 度 为 3 m m, 波数 为 1 O波, 材 质 为 0 C r l 7 N i l 2 Mo 2 。 该波纹膨胀节安装就位后正常运行了 3 4 个月即严重磨损。 后采取了减少蒸汽吹扫量措施, 才将波纹膨胀节寿命延长到 1年, 但仍不能满足全厂 二年一修的运行周期要求, 影响了炼油厂的安全长周 期生产。 2 6 原因分析【 1 “ 通过查阅大量文献可知, 催化裂化装置膨胀节寿 命损伤主要有下列原因。 2 6 1 腐蚀介质原因 氯化物引
13、起的腐蚀。烟气中的氯化物溶解在冷凝 液中形成氯介质, 当其浓度超过点腐蚀的临界浓度时, 就会产生腐蚀破坏。氯化物来自含氯原料的催化分解 以及冷却蒸汽中。某石化公司F C C U再生器至三旋烟 道出口侧的三只压力平衡式膨胀节开工一个月就发现 穿孔, 分析认为是冷却水中含氯离子所致。 南京炼油厂 R F C C U烟机人口管路直径 2 0 0 m m的波纹膨胀节使用 不到一年, 因氯离子的影响下波部波峰出现穿孔。 垢下腐蚀。催化剂粉尘等杂质沉积在波纹管的下 部波峰处, 使其覆盖下的金属表面在电解质溶液中与 周围形成宏观腐蚀电池, 其金属成为腐蚀电池的阴极 而被腐蚀直至穿孔。 现场分析发现t 穿孔部
14、位大多覆盖 着催化剂粉尘和硫磺等物质。 露点腐蚀。 如果膨胀节的表面温度较低, 烟气中的 维普资讯 http:/ 3 8 催化裂化装置用膨胀节失效案例分析及壁温对其寿命的影响 S O 。 、 S O 。 在膨胀节内最低点表面凝集, 就会形成混酸 腐蚀。某 F C C U烟机人口膨胀节直径为 1 0 0 mm, 1 9 8 4 年1 9 8 5 年 9 月出现露点腐蚀穿孔。出现露点腐蚀穿 孔时, 孔内渗漏出的介质 p H值为 l 2 , 腐蚀产物为硫 酸亚铁。 2 6 2 应力原因 膨胀节加工制造过程产生残余应力 安装过程产 生预应力, 操作过程因介质压力和温度波动都会产生 应力。研究表明, 这
15、些应力越大, 导致应力腐蚀开裂就 越严重。特别是开停车造成的应力对膨胀节寿命的缩 短有显著的影响。 我国多家炼油企业 F C C烟机管道上的部分膨胀 节仅运行一年甚至半年左右就被破坏而失效, 不得不 停车更换。 国外炼油企业也有类似情况。 据催化裂化装 置波纹管失效分析及对策研究联合课题组调查统计, 膨胀节的破坏失效, 由于应力腐蚀开裂( S C C) 所致的 占7 9 5 , 鼓泡失稳造成的占 l 5 ,制造及焊接质量 原因引起的占5 5 。 由此可见, S C C是膨胀节破坏失 效的最主要原因。 3 催化裂化装置用膨胀节壁温分布规律 考虑到膨胀节壁温过低是导致露点腐蚀的主要原 因, 许多企
16、业采取了提高膨胀节壁温的措施。 如去掉蒸 汽伴管, 膨胀节内壁不加保温层等, 这些措施在提高膨 胀节壁温、 减小酸露点腐蚀方面取得了较好的效果 使 得膨胀节使用寿命有所延长。 但是, 经过一段时间使用 后, 有些膨胀节仍然处在露点温度以下, 个别膨胀节甚 至在露点腐蚀作用下已经产生了应力腐蚀开裂。 为此, 笔者结合大连石化膨胀节寿命预测研究课题,采用远 红外温度测试仪对大连石化四催化车间膨胀节壁温进 行了全面普查。考虑三旋出口至烟气人口段膨胀节较 多, 操作工况苛刻 经常出现膨胀节短期操作失效, 因 此对图 1 所示的催化再生系统各处膨胀节的壁温进行 了测量,测量结果见表 1 。 图 1 被测
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