重油催化裝置高溫煙道膨脹節開裂分析及改進

（中石化金陵分公司，江蘇 南京 210033）

重油催化裝置高溫煙道膨脹節開裂分析及改進

張可偉

（中石化金陵分公司，江蘇 南京 210033）

中石化金陵分公司130萬t/a重油催化裂化裝置的高溫煙道膨脹節在2010年8月～2013年3月期間，發生了10多次開裂，經分析，找到了原因，并提出改造對策，取得較好效果。

催化裂化；高溫煙道；膨脹節；開裂分析

一、高溫膨脹節開裂的基本狀況

1．開裂膨脹節所處位置

中石化金陵分公司130萬t/a重油催化裂化裝置三級旋風分離器出口和高溫煙道垂直段之間的第一個膨脹節，于2010年7月18日、8月1日分別連續兩次開裂，向外泄漏大量高溫催化劑，當時把裝置停下來包套處理開裂泄漏處。2010年7月至2013年3月期間，安裝于三級旋風分離器與煙機之間的煙道中的膨脹節，發生了13次開裂，大量泄漏高溫催化劑。

2．膨脹節開裂情況

該金屬波紋管開裂斷口特征是橫向和斜裂紋等不同裂紋方式，但從宏觀可看出，橫向裂紋最為明顯。裂紋集中存在于該波紋管波谷的表面，同時還存在波紋管內表面，裂紋分布多且廣，可為多源性。

3．膨脹節原始設計參數

設計壓力：0．3MPa；介質溫度：780℃；許用疲勞壽命：3 000次；波根直徑：1 940mm；波高：85mm；波距：85mm；波數：4＋4＋4；層數：1；波紋管厚度：2mm；波紋管材質：Incoloy800。

4．膨脹節運行情況

高溫煙道膨脹節從裝置開車到波紋管開裂運行僅10個月，出現波紋管從波峰處開裂泄漏。該泄漏處的工作壓力是0．20MPa左右，工作溫度720℃左右，運行參數符合設計要求。裝置的高溫煙道7個膨脹節工作介質為煙氣＋催化劑，煙氣中含有O2、N2、H2O、含有少量的極性氣體SO2、NO2、CO2及較微量CO等，催化劑中還含有少量的硫、氮組分。

二、開裂斷口處分析研究

1．Incoloy 800波紋管宏觀分析

開裂失效的Incoloy 800波紋管的宏觀照片見圖1。從圖中可以看出，該金屬波紋管開裂斷口特征雖然有橫向和斜裂紋等不同裂紋方式，但可看出，橫向裂紋最為明顯，裂紋集中存在于該波紋管波谷的表面，同時還存在波紋管內表面，裂紋分布多且廣，可為多源性，初步可認定為裂紋塑性特征明顯，可排除疲勞斷裂的可能性。同時，從圖中可看出，波紋管的表面腐蝕程度不明顯，斷口平整光滑。

圖1 開裂的Incoloy 800波紋管膨脹節宏觀照片

2．材料成分分析

從開裂失效的Incoloy 800波紋管的X-射線熒光光譜成分分析結果及用紅外碳硫分析儀檢測該合金中碳含量的結果可以看出，該波紋管材料驗證確實是Incoloy 800。

3．金相檢驗

通過對該金屬波紋管原樣品金相分析研究觀察，它的組織是奧氏體＋微量碳化物，晶粒直徑平均為150μm，晶粒度3級，說明膨脹節原材料是退火態固溶板材，檢驗項目全部符合標準要求。

對該波紋管開裂處的樣品金相分析研究，組織是奧氏體＋微量碳化物，平均晶粒直徑和晶粒度與原母材樣品相似，這證實了波紋管的金相組織無較大變化。

4．機械性能

該金屬波紋管開裂處樣品和母材樣品的室溫、高溫力學性能檢驗分析結果列于表1，母材樣品力學性能數據全部滿足ASTM B443-96A相關標準，失效波紋管的樣品力學性能，它的伸長率與原始板材相比偏低，抗拉強度、屈服強度和硬度相比于原始板材偏高。

表1 力學性能分析結果

5．微觀組織分析

開裂失效Incoloy 800波紋管中的微觀裂紋見圖2。從圖中可以看出，裂紋為穿晶型裂紋，主裂紋較為明顯，但也能看出有少量二次裂紋，二次裂紋數量很少、擴展面也比較窄，從而可排除晶間應力腐蝕開裂。

圖2 開裂的波紋管中的微觀裂紋金相照片

6．裂紋在金相組織中的走向

從膨脹節的失效波紋管斷口部位取樣，光學顯微鏡通過觀察對比，把它的斷面進行拋光取樣，發現斷口表面的裂紋，該裂紋深度有2～3個的晶粒大小，拋光試樣經王水腐蝕后，再到顯微鏡下分析觀察，發現裂紋形狀成網狀外貌，以沿晶裂紋為主，也存在少量穿晶裂紋。

7．波紋管開裂泄漏性質判定

通過對催化裂化裝置金屬波紋管的開裂碎片分析，從宏觀到微觀觀察分析，可判定波紋管開裂是該合金斷裂處晶界兩側的貧Cr區高溫氧化、晶界析出的碳化物、晶界吸硫的環境下高溫晶界開裂。

三、改進措施

1．材料升級

Incoloy800 合金在大于720℃的溫度使用，存在兩方面的風險：一是該合金可能發生脆性，尤其在晶界上析出富Cr的碳化物情況下；二是工作介質中的氧和硫元素含量達到一定時，該合金表面氧化膜不能阻止氧和硫元素的滲入，這時該膨脹節的晶界基體就會氧化、吸硫，氧化造成晶界強度減弱產生微裂紋，加速了晶界的弱化，最終造成膨脹節開裂。因此，此裝置在改造中，高溫煙道的膨脹節采用了Inconel625材料，其強度、性能比Incoloy800優越。

2．結構改進

本裝置三旋出口煙道垂直段的膨脹節，裸露部分溫度可達710℃，遇到雷暴雨、晝夜溫差大時，對出口產生很大的拉應力。本裝置的三旋是固定在支座框架上的，這部分應力由反作用到第一個膨脹節上。這樣的交變應力荷載可引發材料疲勞失效開裂。因此，對膨脹節外部結構進行改進，膨脹節外部增加了金屬外護罩，防止在雨雪天氣條件下，溫度急劇變化帶來較大拉應力和交變應力荷載。

3．高溫煙道柔性布局優化

把該裝置的高溫煙道的維立體Z型布置，在垂直管道中部設置固定承重支架，分為以三旋出口和煙機入口為支點的兩個“L”型平面管系，各設1組3個單式鉸鏈型膨脹節，來吸取管系的整體位移，具體如圖3所示。

圖3 高溫煙氣管道各支點分布圖

通過CAESAR II軟件建模，從應力校核和管道軟件分析的結果來看，兩個“L”平面型管系的柔性良好。關鍵節點最大受應力低于設計的許用應力，在固定支架之前的各關鍵節點受應力均低于各支點的許用應力值的，這樣的受力狀態滿足了設計標準要求。

四、結論

通過對催化裂化裝置開裂波紋管13次開裂的分析研究，找到原因，提出了針對性的解決措施。對該裝置三旋至煙機煙道及膨脹節進行材料升級、結構改進、布局優化，經2013年6月至8月2個月的組裝，順利的用于生產實踐，于8月26日該裝置一次開車成功，投用正常。

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