催化裂化烟气轮机出入口管线管件失效分析_陶晶

!""#年第$期 !!!!"#$%!&’" 运行与维修;#$%78&)’9 67&’8$’7’($技术与应用 -#!!! 催化裂化烟气轮机出入口管线 管件失效分析 中国石油化工股份公司安庆分公司炼油一部! !安徽!"%0##""!陶!晶 !! !摘!要"!对催化裂化烟机出入口管线在使用过程中出现的膨胀节及相关管件失效原因进行了分析" 认为热应力!露点腐蚀及应力腐蚀是造成该情况发生的根本原因"并针对这些问题提出了改进措施和建议"进 行了相关处理# !! !关键词"!催化裂化!膨胀节!热应力!露点腐蚀!应力腐蚀 一#前言 中国石油化工股份公司安庆分公司催化裂化装置原 设计为同高并列式催化裂化$设计规模为,"#万+’<$ 为提高全厂综合经济效益$进行重油催化改造$增设三 机组及烟气能量回收系统$为降低催化汽油中烯烃含 量$满足汽油新要求$采用 7c&工艺$催化裂化 两器改造为同轴式布置%再生烟气通过九组两级旋风分 离器除去夹带的大部分催化剂后$进入三级旋风分离 器$进一步分离出大于,##:的粉末%从三旋出来后$ 一路温度为0$#"2,#D的烟气进烟气轮机膨胀做功后回 到烟道&一路经双动滑阀降压后送至烟道&另一路平衡 烟气由三旋到回收罐至四旋$经临界流速喷嘴限流后进 入烟囱% 烟气轮机由于长期在高温下工作$对高温产生的应 力较敏感$因此烟机出入口管道的设计#制造和安装均 要求作用于烟机上的力和力矩越小越好%而波纹管膨胀 节具有一定的强度#较大的柔度#较高的抗疲劳性能和 吸收高温变形的补偿能力$是热力管道上应用最广的一 个元件$但它在高应力状态下工作时$又是管系中最薄 弱的部位$因此在烟道中波纹管膨胀节及相关管件的安 全可靠性是非常关键的% 二#管线设计布局情况 从三旋出口至烟机入口管线$经三旋降压后$管道 中压力约为#!"#7&<$温度为0$#"2,#D$由于三旋 为卧管式$整体位置较高$烟机入口管线为双 +3,形 布局$管线采用六只单式铰链膨胀节%这种膨胀节是由 波纹管#平衡环及两对与平衡环和端管相连的铰链板组 成的挠性部件$主要以角偏转的方式补偿多平面弯曲管 段的合成位移%由于平衡环#销轴和铰链板能承受压 力#推力和其他附加外力的作用$膨胀节自身吸收内压 推力$不会对弯道产生外力$因此管道支撑的设置可简 化% 烟机出口温度为$*#D$压力为)?&<$烟机出口设 置一压力平衡型膨胀节以吸收烟机出口热位移和维持压 力平衡$使设备所受载荷最小$在水封罐前设置一复式 铰链膨胀节以吸收其与烟道间的热变形% 如图,所示为烟机出入口管线布局简图$,为烟 机出入线上膨胀节及部分失效管件一览表% 表%!出入线上膨胀节及部分失效管件 标号 类型 型号或尺寸 筒节材质 $#&# ’ 铰链式 膨胀节 LC-0%)#!* )%)&%’&, #.4,/56)’6 %#( 铰链式 膨胀节 LC-0%)#!* )0)&%’&, #.4,/56)’6 ) 铰链式 膨胀节 LC-0%)#!* )%)&%’&, #.4,/56)’6 1 压力平衡型 膨胀节 L’&/#)#!#,) %N"’")&%’&, b"*$). 2 复式铰链 膨胀节 LC-)0)#!, )3%&%’&, b"*$). 3 焊接三通 !含椭圆封头" !,0"#::N ,0"#::N,":: #.4,)56) 4 焊接三通 !,/"#::N ,/"#::N,":: b"*$). /2 !""#年第$期 !!!!"#$%!&’" -.!!! 技术与应用运行与维修;#$%78&)’9 67&’8$’7’($ 图,!出入口管线布局 ,!三旋!"!焊接三通!*!弹簧支架 !%个"!%#2!平台!$!单式铰链膨胀节 0!悬挂式支座 !%个"!/#,#!复式铰链膨胀节!)!水封罐 三#失效情况统计 烟机出入线上膨胀节及部件失效情况见表"% 表!!烟机出入线上膨胀节及部件失效情况 时间 失效部位 症状 处理措施 "##*!, 4 !颈脖处约"#M:长裂纹 堆焊 "##*!) 4 !颈脖处裂纹扩展了,#M: 堆焊 "##%!$ 4 !裂纹扩张近,%M: 包套 ’ !膨胀节波峰处两处裂纹 监护 "##%!2 4 !包套处裂纹向边沿扩展 包套 ’ !波 峰 处 又 一 新 裂 纹$约 $M:长 监护 "##$!* 3 !三通颈处裂纹$约%#M:长 包套 1#2 !两处腐蚀穿孔 监护 "##$!/ 1#3 !发现新裂纹$老裂纹扩展 监护 4 !悬挂式支座处焊缝拉裂 包套 "##$!," %#1# 2#3 !裂纹扩展$新腐蚀穿孔$ 包套焊缝拉裂 包套和 监护 图"为管件3#4失效部位图% 四#膨胀节及管件失效分析 烟机出入口管线的工作环境比较恶劣$热力管线较 长$温度较高$介质烟气的组分又比较复杂$这就决定 了管线失效的形式也是多样的% %)热应力产生的管件失效 烟机入口管线每次从停用状态至投用$中间的温差 近2##D$这个温度产生的热应力是极其可观的$特别 烟机入口使用的是奥氏体不锈钢$传热能力较差$膨胀 系数较大$如果在焊缝附近存在着较大的温差 !或焊缝 有缺陷"就可能开裂%另外由于结构设计不合理$构件 受热后膨胀受到限制或补偿量太小$造成局部残余变形 过大而将焊缝拉裂$这尤其反映在失效频次较高的管件 3与管件4之间的管线%这段管线一端固定于三旋$一 端由悬挂式支座限制了其向下的位移%该段热力管线上 产生的应力除了由三个膨胀节吸收外$另外是由三旋出 口的限位和悬挂式支座来承担%由于长年运行$热胀冷 缩$膨胀节经长期工作有失稳现象$此段管线两端的受 力大大超过原来的设计值$因此在最薄弱的三通焊缝处 )2 !""#年第$期 !!!!"#$%!&’" 运行与维修;#$%78&)’9 67&’8$’7’($技术与应用 #"!!! 产生裂纹 !如图""$同时悬挂式支座限制了此段管线向 下的位移$致使支座补强板焊缝拉裂$导致管线失效% !)露点腐蚀产生的管件失效 当加工含C量较高的原油时$硫化物高温分解后$ 在高氧情况下烟气中的CE"#CE* 含量也大幅上升$它 们在低温下与烟气中的蒸汽结合生成硫酸$在烟气露点 温度附近或以下$在金属表面凝结成硫酸溶液$腐蚀金 属$同时在低温下.Z;的露点腐蚀对波纹管的威胁也很 大$因为波纹管不仅壁薄$且易积液% 如件%#1#2失效情况为波纹上有!""!$::大 小不等的腐蚀穿孔%在正常生产中$由于烟机出入口温 度都在$##D以上$不至于产生露点腐蚀$但在开停工 况及机组进入安全运行情况下$由于介质温度较低$同 时烟机轮盘冷却蒸汽量由正常运行时的#!/+’>提高至 "+’>$大量蒸汽进入烟道$尤其在烟机出口管线里部分 蒸汽冷凝积聚在波纹管内壳$而由于波纹管与内导流筒 之间充填耐火纤维更降低了波壳表面温度$烟气中CEf$ 5Ef$5-* 和-.Z等酸性气体与水蒸气处在露点温度以 下$在波壳内壁形成酸性水溶液$导致了露点腐蚀% *)应力腐蚀产生的管件失效 材料在腐蚀与拉应力的同时作用下产生的应力腐蚀 破裂对管件的损害也较大$特别是膨胀节的波纹管$在 交变应力下工作$不仅会产生应力腐蚀开裂$而且还出 现应力腐蚀疲劳% 如件’#件1$除了露点腐蚀以外$在波纹管波峰 处均有长度不等的环形裂纹$形状为丝网状$裂口处无 明显壁厚减薄现象%该处应力的来源主要有(件(在 "##"年大修进行了更换$热力管线的安装有严格的要 求$要考虑它的预变形$由于件(单独更换$很难达到 管线初装时的水平$对周边的应力难以完全消除&烟机 的运转时限较长$更新的烟机机壳与管线的联结反过来 对管线的受力又有影响&膨胀节原来初装时的应力消除 及本身出厂时固溶处理的效果对其是否产生应力腐蚀也 至关重要% 五#处理措施 "##0年初大修时对损坏的膨胀节%#’#2及管件 3#4进行了更换$件1由于加工周期的问题$暂时未 处理$留待下次更换%对更换的部分采取了下述措施% ,"提升膨胀节波纹管材质$使用A5)"高合金钢 或c=M8Z8Y/##$它能有效地耐点蚀和晶间腐蚀$适用于 多硫酸等硫化物与.Z; 共同作用的腐蚀环境$属AS) .4)56系高合金材料$其成分见表*% 表*!成分 质量分数$1" 成分 . .4 56 5a ’6 7= C6 C & .T (Z AS A5)" %#!#* ",""% **"*2#!$"#!2 ) %#!$# %#!$ %#!#,$ %#!#,$ ) ) 其余 c=M8Z8Y/## %#!#, )""* *#"*$ ) #!,$"#!0# %,!$# %,!## %#!#,$ %#!#*# %#!2$ #!,$"#!0# 其余 ""膨胀节出厂前按标准严格进行固溶处理$以消 除波纹管加工过程中的形变应力和残余应力&取消波壳 和内导流筒之间的硅酸铝纤维毡$在导流筒自由端环开 口处安装不锈钢密封网套$并压紧填实$提高波壳表温$ 防止水蒸气在波壳内凝结$避免了.Z;的吸附和浓缩% *"膨胀节安装严格按执行$采用预变位手段$ 减小组装应力$严格执行焊接工艺$尽可能消除焊接应 力% %"在开停工升降温过程及进入安全运行增大轮盘 冷却蒸汽量时$尽可能打开烟道及烟机底部排凝$防止 腐蚀物积液% 六#建议 ,"下次大修时$考虑使用年限及目前使用情况$ 应将件$#
进行更换$同时有条件可重新核算该 段管系受力情况% ""可考虑将悬挂式支座改型为弹簧支架$以防支 座处的补强圈及筒壁被拉裂% *"加强对波纹管表面温度及烟道外壁温度的监测$ 形成定期监测机制$定期检查弯头#三通处的保温情 况% 参 考 文 献 -,.岳进才Q压力管道技术 -7.Q北京(中国石化出版社$ "##$Q -".中国石油化工设备管理协会设备防腐专业组Q石油化 工装置设备腐蚀与防护手册 -7.Q北京(中国石化出 版社$,))0Q -*.中国石油和石化工程研究会Q炼油设备工程师手册 -7.Q北京(中国石化出版社$"##*Q !收稿日期("##2’,"’,/" #/