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催化裂化裝置高溫煙氣管道膨脹節(jié)損壞原因分析及改進措施

文檔作者：寧德君文檔來源：中國石油錦西石化分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月11日
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腐蝕與防護 石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32(3)·7· Petrochemical Equipment Technology
催化裂化裝置高溫煙氣管道膨脹節(jié)損壞
原因分析及改進措施
寧德君
(中國石油錦西石化分公司，遼寧葫蘆島125001)
摘 要：介紹了催化裂化裝置煙機入口暖管道膨脹節(jié)腐蝕爆裂的情況，分析了膨脹節(jié)爆裂和腐蝕的原
因。并就膨脹節(jié)防止腐蝕提出了幾點措施，對今后類似部位使用的膨脹節(jié)提出了建議。
關(guān)鍵詞：膨脹節(jié) 爆裂 腐蝕 防護
錦西石化分公司1 000 kt／a催化裂化裝置煙
機暖機線橫管段膨脹節(jié)在正常運行過程中突然發(fā)
生爆裂，造成煙氣大量外泄，現(xiàn)場人員無法靠近關(guān)
閉閥門，致使煙氣輪機停運9 h。爆裂的波紋管
碎片大小不等，并且另外兩個膨脹節(jié)也腐蝕穿孔。
1 膨脹節(jié)投用和腐蝕概況
煙機暖機管道上有3個膨脹節(jié)，其中橫管段
上的膨脹節(jié)發(fā)生爆裂，立管段上的兩個膨脹節(jié)也
發(fā)生了腐蝕穿孔(此3個膨脹節(jié)的材質(zhì)均為1n—
coloy800)。煙氣輪機開機前需暖機，煙氣通過暖
管進人煙氣輪機，稱暖機工況。
暖管安裝示意見圖1。
暖機時主管上的高溫閘閥3、高溫蝶閥4全
部關(guān)閉，沒有煙氣通過。在正常生產(chǎn)工況時，暖管
截止閥9打開，關(guān)閉截止閥7，此時主管上高溫閘
閥3、高溫蝶閥4有煙氣流通，而暖管無煙氣流
通。由于關(guān)閉截止閥7，煙氣經(jīng)主管道和截止閥9
進入暖管，截止閥7位置為盲區(qū)，煙氣產(chǎn)生渦流使
煙氣返回，在立管段上部波紋管的上邊波圓弧部
位停留和富集，造成波紋管的腐蝕穿孔和爆裂。
2 膨脹節(jié)失效原因分析
由于催化反應(yīng)一再生系統(tǒng)的操作條件苛刻，腐
蝕性極強，煙氣中的催化劑對設(shè)備沖刷嚴重，因
此，波紋管在條件適宜的情況下，長則數(shù)月短則數(shù)
天就發(fā)生失效。其腐蝕失效形式主要表現(xiàn)為波紋
管的穿孔和開裂。
2．1 暖管水平段DN300單式鉸鏈型膨脹節(jié)爆裂
原因分析
暖管水平段波紋管爆裂原因是晶間腐蝕和晶
問型應(yīng)力腐蝕混合型。導致晶間腐蝕和晶間型應(yīng)
力腐蝕混合型發(fā)生的主要因素如下：
450
圖1 煙機人口暖管(含膨張節(jié))安裝示意
1，2 DN300單式絞鏈型膨脹節(jié)(立管段)；
3 高溫閘閻；4 高溫蝶閥；5 暖管；
6～ 主管(DN1300／DN1000)；7，9 截止閥；
8 DN300單式絞鏈型膨脹節(jié)(水平段)
(1)通過合肥通用機械研究所對水平段波紋
收稿日期：2010-0卜14。
作者簡介：寧德君，男，2005年畢業(yè)于天津大學機械自動化
專業(yè)，現(xiàn)在錦西石化分公司機械動力處工作，工程師。已發(fā)
表論文l2篇。
Email：ningdejun@petrochina．COrn，cn
?? 8 ?? 石油化工設(shè)備技術(shù)2 0 1 1 年
管力學性能試驗和硬度測定， 水平段波紋管存在
冷作硬化， 且硬度值高于立管段的波紋管， 材料延
伸率較低。I n c o l o y 8 0 0 存在高溫敏化現(xiàn)象， 硬化
后的I n c o l o y 8 0 0 對晶間腐蝕更為敏感， 這是水平
段波紋管產(chǎn)生晶間腐蝕與晶間型應(yīng)力腐蝕混合型
的直接原因之～
。
( 2 ) I n c o l o y 8 0 0 屬鐵基鎳合金， 相對于一般
奧氏體不銹鋼，有較好的抗氧化性能， 但存在高溫
敏化現(xiàn)象， 在6 5 0
。C 運行易發(fā)生晶間腐蝕傾向。
材料含碳量較高， 高溫下運行易出現(xiàn)晶間敏化現(xiàn)
象。晶間腐蝕隨含碳量增加而嚴重。
( 3 ) 波紋管制造和成形過程中， 存在殘余拉
應(yīng)力，在運行過程中存在較大的工作應(yīng)力，這是加
速水平段波紋管產(chǎn)生晶間腐蝕與晶間型應(yīng)力腐蝕
混合型的內(nèi)在因素。
( 4 ) 在內(nèi)壓應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力( 沒有經(jīng)過
固熔處理) 以及煙氣成分中硫、氧、硫酸根
( S O 。
’ ) 等有害介質(zhì)共同作用下， 易發(fā)生晶間腐
蝕和晶間型應(yīng)力腐蝕破壞。
( 5 ) 暖管水平段波紋管宏觀斷口呈脆性斷
裂， 波峰硬度指標較高而材料延伸率較低。
( 6 ) 三旋出口高溫煙氣中含有硫化物、氮化
物，還有衍生的亞硫酸等，操作溫度高， 環(huán)境惡劣，
有害離子在波紋管內(nèi)濃縮、富集， 這是暖機管道膨
脹節(jié)發(fā)生晶間腐蝕和晶間型應(yīng)力腐蝕的環(huán)境( 介
質(zhì)) 因素。
( 7 ) 對暖管水平段波紋管波形參數(shù)測定和材
料化學成分分析結(jié)果及進行應(yīng)力計算表明， 水平
段D N 3 0 0 單式鉸鏈型膨脹節(jié)在設(shè)計壓力
0 ． 3 5 M P a 、設(shè)計溫度6 8 0 ℃ 條件下， 采用
I n c o l o y 8 0 0 材質(zhì)制造波紋管， 壁厚0 ． 8 m m 兩層
( 即們d 一2 x 0 ． 8 m m ) 滿足不了強度要求，且強度
值低于立管段波紋管強度值。
( 8 ) 西航集團對膨脹節(jié)腐蝕產(chǎn)物的能譜成分
分析結(jié)果表明， 該材料( I n c o l o y 8 0 0 ) 的特定腐蝕
環(huán)境， 主要是O 、N a 、S 元素， 而A l 、S i 、C a 為灰塵
元素。斷口裂紋由內(nèi)表面起始向外表面擴展， 殘
片斷口均為沿晶斷裂， 二次裂紋明顯可見。材料
已明顯脆化。原材料金相組織未見異常， 膨脹節(jié)
殘片拋光狀態(tài)可見到由內(nèi)表面開始的沿晶裂紋，
有明顯分叉， 組織未見明顯變化。由此可認為， 膨
脹節(jié)內(nèi)有腐蝕環(huán)境， 內(nèi)壓和工作時的變形應(yīng)力使
其內(nèi)表面存在拉應(yīng)力， 這是造成I n c o l o y 8 0 0 產(chǎn)生
應(yīng)力腐蝕裂紋的條件。裂紋擴展到一定程度即可
發(fā)生爆裂。
2 ． 2 暖管立管段D N 3 0 0 單式鉸鏈型膨脹節(jié)腐蝕
穿孔原因分析
由于此膨脹節(jié)用于煙氣輪機的暖管上， 在暖
機的時候煙氣正常通過，前后手閥均打開， 煙氣的
溫度為6 5 0 ℃ ，此時遠高于露點溫度，不會發(fā)生露
點腐蝕。3 月1 7 日6 ： 3 0 到1 4 ： 0 0 為暖機狀態(tài)。
3 月1 7 Ft 1 4 ：0 0 以后暖機線前手閥關(guān)閉， 正常開
機， 但后手閥未關(guān)， 后手閥與煙機入口煙道相通，
煙氣產(chǎn)生渦流，使煙氣返回，在立管段上部波紋管
的上邊波圓弧部位停留和富集，造成腐蝕穿孔，腐
蝕情況見圖2 。
圖2 波紋管腐蝕穿孔情況
立管段膨脹節(jié)波紋管腐蝕穿孔原因：
( 1 )
“ 露點” 腐蝕穿孔( 煙氣的酸露點溫度為
酸凝結(jié)速度與酸蒸發(fā)速度相等時的煙氣溫度) 。
經(jīng)2 0 0 4 年5 月2 7 日的測試顯示， 煙氣露點
溫度為1 4 8
。
C ，露點溫度值與煙氣成分有關(guān)。煙
氣成分分析結(jié)果見表l 。
表I 煙氣成分分析結(jié)果
從表1 可見， 高溫煙氣中含有二氧化硫、氧氣
第32卷第3期 寧德君．催化裂化裝置高溫煙氣管道膨脹節(jié)損壞原因分析及改進措施
和水，通常二氧化硫約有1 ～3 轉(zhuǎn)化為三氧化
硫，三氧化硫與高溫煙氣中的水蒸氣化合形成硫
酸蒸汽，這便提高了露點溫度，稱為煙氣露點溫
度，即煙氣露點溫度隨三氧化硫含量增加而升高。
而煙氣輪機正常工況下暖管不熱，波紋管外壁溫
度約5O～100C，所以波紋管在煙氣輪機工作狀
態(tài)時壁溫低于煙氣的露點溫度，此時硫酸蒸汽在
波紋管表面冷凝生成稀硫酸，產(chǎn)生低溫硫酸露點
腐蝕。另一方面高溫煙氣中的二氧化硫與水蒸氣
化合生成亞硫酸，亞硫酸再與氧結(jié)合也同樣生成
稀硫酸，在波紋管低溫區(qū)域產(chǎn)生硫酸露點腐蝕。
形成FeSO 一Fe (SO ) 一FeS() 的腐蝕循環(huán)，
大大加快了腐蝕進程。
(2)再生煙氣中的氯化物來自含氯原料的催
化分解，波紋管隔熱材料(硅酸鋁纖維)也存在少
量C1成分等。它們?nèi)芙庠诓y管內(nèi)表面波峰
(谷)處的冷凝液中，形成含氯腐蝕介質(zhì)，當其濃度
超過產(chǎn)生點蝕的臨界濃度時，就會在波峰(谷)處
產(chǎn)生點蝕孔。隨著點蝕的不斷發(fā)展最終導致穿孑L。
(3)煙氣中催化劑的磨蝕和沖蝕，是引起波
紋管局部腐蝕或穿孔的另一個主要原因。
(4)波紋管在制造過程中，存在殘余應(yīng)力，在
運行過程中存在較高的工作應(yīng)力，在腐蝕環(huán)境下
加速波紋管應(yīng)力腐蝕失效。
3 膨脹節(jié)防腐措施
3．1 管道設(shè)計
重新核算管道的設(shè)計，必要時進行更改，還可
以通過設(shè)計重新對管道進行布局，消除應(yīng)力，或不
采用膨脹節(jié)。
3．2 波紋管設(shè)計
合肥通用機械研究所對暖管水平段波紋管波
形參數(shù)的測定和對材料化學成分分析結(jié)果表明，
采用Incoloy800材質(zhì)制造波紋管，壁厚0．8 mm
兩層(即 一2×0．8 ram)滿足不了強度要求，且
強度值低于立管段波紋管強度值。因此，應(yīng)重新
選擇波紋管參數(shù)(叫一矗一50、，”一1、 —1．5 ram)，
其材質(zhì)宜采用Incone1625LCF。立管段波紋管增
加波數(shù)，即由4波改為5波。波紋管厚度應(yīng)大于
1．2 mitt。波紋管成形后要進行固熔處理，增加波
紋管內(nèi)部導流簡并采用內(nèi)隔熱外保溫結(jié)構(gòu)。加強
制造和安裝過程中波紋管表面質(zhì)量控制。
3．3 工藝操作
(1)盡量減少開停車次數(shù)，這樣既可以減少
停機期問波紋管處產(chǎn)生連多硫酸的可能，又可避
免因熱疲勞造成損傷。
(2)在停機期間對波紋管進行通氮氣保護，
防止連多硫酸的生成，或用堿液進行局部刷涂清
洗，將波紋管表面生成的連多硫酸中和掉(使pH
值大于5)。
(3)在停車期間避免用蒸汽掃線波紋管。對
波紋管來說，各種腐蝕基本為電化學腐蝕，避免
用蒸汽掃線，可防止在役中的波紋管表面電解質(zhì)
的形成，對防止波紋管的腐蝕穿孔和開裂均有
好處。
(4)在煙氣輪機暖機完畢正常開機后即把暖
機管道前后手閥關(guān)閉，防止煙氣在暖管內(nèi)富集而
長期處于露點溫度之下，這樣就可以減少在暖管
道內(nèi)產(chǎn)生露點腐蝕的機率。
通過對上述方案的對比論證并重新進行了核
算，最終確定了第一種方案為最佳方案，就是重新
核算管道的設(shè)計，對管道布局進行了改進，消除應(yīng)
力，不采用膨脹節(jié)。改造后的曖機管見圖3。
、 、
PS-2 PS—l PS-3
1 A 見支磐
配樂瘟
一 1 l 840 1 840一
一’I { 『f
廣 1 I網(wǎng)
I 3O0
-- U
j 67I 99() 2 88o— 500
3466 20
3 暖機管改造后不意
4 結(jié)語
催化裂化裝置中高溫煙氣管道膨脹節(jié)的腐蝕
穿孑L和爆裂是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中煙
機暖管水平段DN3OO單式鉸鏈型膨脹節(jié)中的波
紋管爆裂，是屬于晶問腐蝕和晶間型應(yīng)力腐蝕混
合型以及波紋管選材不當、強度不足和沒有固熔
處理等綜合作用的結(jié)果。暖管立管段DN300單
式鉸鏈型膨脹節(jié)腐蝕穿孔實際是上述幾種腐蝕因
素綜合作用的結(jié)果，其中以晶間腐蝕為主，高溫煙
氣“露點”腐蝕起主導作用。
煙機暖機管改造后，煙氣輪機系統(tǒng)運行一直
非常正常，滿足了催化裂化裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)的
要求

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