乙烯裂解爐SLE廢熱鍋爐失效原因

孫 博, 張 勇, 楊會剛, 陳廣濤

（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113000）

乙烯裂解爐SLE廢熱鍋爐失效原因

孫 博, 張 勇, 楊會剛, 陳廣濤

（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113000）

乙烯裂解爐線性套管式換熱器內管發生變形失效，通過換熱管宏觀外貌和微觀金屬化學組織分析，確定該換熱器內管的失效屬于局部超溫運行高溫氧化腐蝕造成的。建議加強線性套管式換熱器的監控，在裂解爐升降溫時，盡量提高汽包壓力，對汽包和SLE低點進行排放，通過間排排出部分垢污及雜質。保證SLE底部水質清潔度。

SLE；形變；超溫；氧化腐蝕

乙烯廢熱鍋爐是乙烯裝置的重要設備，它的主要作用是裂解氣在廢鍋內進行熱交換，內管830～840 ℃的裂解氣被外管 300 ℃的高壓水冷卻到430～500 ℃，被冷卻的裂解氣進入急冷油塔，而被加熱的高壓水變成高壓蒸汽，送往壓縮區作為裂解氣壓縮機透平的動力來源[1-3]。

乙烯車間現有8臺裂解爐，由S&W公司設計，惠生公司制造， 其中3#裂解爐，有8臺廢鍋，每臺由 11組套管組成，該廢熱鍋爐設計制造由德國BORSIG公司完成。從2012年裝置首次開車，廢鍋運行性能較好，滿足生產運行條件，一直到 2016年8月末，發現3#裂解爐廢熱鍋爐出現8組內管鼓包變形的現象，均為渦流室處內管鼓包，嚴重影響了正常生產，造成了嚴重的生產隱患。

通過清焦口用內窺鏡對堵塞SLE進行檢查，發現8根SLE渦流室下焊口上部處的內管出現不同程度的鼓包。見圖1。

該線性廢鍋是一種單套管換熱器，管內是裂解爐出來的裂解氣，管外是高壓水。表1為1-4#裂解爐套管換熱器參數。

圖1 SLE渦流室處變形情況Fig.1 the SLE swirl chamber deformation

表1 1-4#裂解爐套管換熱器參數Table 1 Parameter of casing tube heat exchanger in 1-4# pyrolysis furnace

1 試驗與分析

1.1 宏觀觀察

廢鍋外管套管切開后，發現此處有腐蝕及沉積現象，從外觀判斷多為氧化鐵沉積。見圖2。

圖2 沉積現象Fig2 deposit the phenomenon

從發生損傷的線性廢鍋換熱管取樣后進行分析，圖3是發生損傷的乙烯廢鍋換熱管宏觀照片。可以看出，換熱管外表面凹凸不平，出現了較嚴重的氧化腐蝕，且氧化皮有分層及剝落現象，存在明顯的腐蝕凹坑。腐蝕嚴重區呈黑褐色，可見明顯的壁厚減薄。經測量，管壁最薄處為6.5 mm，減薄量最大達到2.3 mm。

圖3 表面氧化的換熱管Fig. 3 Surface oxidation of heat exchange tube

發生損傷的乙烯廢鍋換熱管管內宏觀檢查看出，管內壁很光滑，沒有明顯的結焦，內表面一部分發生了嚴重變形，出現了鼓包，朝內壁凸起，鼓包最高處達7.6 mm。因為外壓遠遠大于內壓，所以這個內鼓包表明換熱管在此處發生了外壓局部失穩，但還沒有出現破裂。

1.2 材質分析及力學性能測試

由于內管發生變形，懷疑內管材質是否符合標準，所以利用直讀光譜儀對樣品的材質進行確認，結果如表2所示，經過比對可見其材質的化學成分符合EN10028對16Mo3的規定。

為了研究材料的力學性能是否滿足要求，對換熱管未鼓包部位進行取樣，進行常溫拉伸實驗，按GB／T 228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》要求進行加工試樣和試驗。試驗結果見表3。

表2 材質分析結果（wt%）Table 2 Material analysis results（wt%）

表3 拉伸實驗結果Table 3 Tensile test results

從中可以看出，材料的力學性能較好，沒有下降，說明材料符合標準。

1.3 金相分析

為了進一步分析廢熱鍋爐換熱管鼓包的原因，對廢鍋換熱管進行取樣，對出現鼓包的內管在鼓包處和未鼓包處各取一個試樣點進行金相檢測，圖 4是未出現鼓包換熱管的金相照片，可以看出金相組織主要是鐵素體+珠光體，有輕微的珠光體球化。圖5是鼓包處換熱管的金相組織，可以看出鼓包處已發生了珠光體完全球化和石墨化。

圖5 鼓包處換熱管的金相組織Fig.5 Microstructure of heat exchange tube in drum package

廢熱鍋爐換熱管所用材質16Mo3的正常金相組織為鐵素體+珠光體的形態，滲碳體組織分布在鐵素體中[4]。

在相同的時間條件下，同種材質珠光體球化程度主要由溫度決定，溫度越高則球化程度越嚴重。從金相分析結果可見，廢熱鍋爐換熱管未鼓包處出現了輕微的珠光體球化，說明該處出現了超溫現象，但超溫不是很嚴重。鼓包處的金相組織中珠光體已經完全球化并出現石墨化，說明該部位超溫嚴重。

2 鍋爐給水水質分析

圖6為2014年裂解爐脫氧水給水溶解氧含量曲線圖。

圖6 溶解氧含量曲線圖Fig.6 dissolved oxygen content in the graph

從上圖可以看出，2014年整年鍋爐給水溶解氧長期處于超標狀態，汽包在有氧高溫環境下運行，極易發生氧化腐蝕。

3 綜合分析

（1）此處水流方向急劇改變，致使蒸汽與水無法有效分離，鹽類在此濃縮、沉積，易發生腐蝕問題，腐蝕產物的沉積，進一步加劇腐蝕、沉積，造成局部過熱[5]。

（2）鍋爐給水入口方箱頭底部屬死區，未設計底部排污，假如汽包內有微量不溶物和累積鐵份就會在死區形成沉積并結垢。

（3）16Mo3材質最高允許使用溫度為530 ℃，可以從工藝上滿足要求，但在超溫的情況下，材質的安全裕度不足，抗異常升溫能力較差。有研究結果表明，16Mo3鋼及其相類似的鉬鋼組織穩定性不夠好，如長期在500～550 ℃溫度范圍內使用，有珠光體球化和石墨化傾向。

4 結 論

綜上分析所述，廢熱鍋爐下管箱出現鼓包現象主要原因是 2014年鍋爐給水溶解氧長期超標產生氧化腐蝕，裂解爐在升降溫過程、原料切換、熱負荷波動較大時水側垢污脫落，垢物沉積，又因水側方向頭未設置排污閥垢物無法及時排出，而SLE集合管排放倒淋又不能排出渦流室內的垢物，造成垢物在方箱頭內沉積，導致SLE內管局部過熱超溫，內管材質金相組織珠光體已經完全球化并出現石墨化，降低了內管的剛性，在水側高壓作用下出現內管內凹。

5 建 議

（1）定期對汽包和廢熱鍋爐進行間斷排污，防止垢物在渦流室內累積堵塞，換熱不均勻，內管局部過熱造成鼓包變形。

（2）在廢熱鍋爐內管制造選材上考慮更換金屬材料，選用耐溫更高的材質，提高抵抗異常溫升的能力。

（3）加強爐水指標監控，確保爐水指標合格，減少水垢產生。

［1］古大田,方子風.廢熱鍋爐[M].北京：化學工業出版社, 2012.

［2］李蓉蓉.雙套管廢熱鍋爐失效機理分析[J].壓力容器,2008, 25（12）：33-37.

［3］ 姚子榮,康龍. 裂解爐SLE急冷器失效分析[J]. 石油化工應用,2010，29（8）：85-89.

［4］魏冬. 乙烯裂解爐廢熱鍋爐集束管失效原因分析與改進[J].中國設備工程,2010（10）：53-55.

［5］孫國豪.乙烯裂解爐性能及失效分析研究[D].大連：大連理工大學，2001.

Analysis on Failure Reasons of SLE Waste Heat Boiler in Ethylene Cracking Furnace

SUN Bo, ZHANG Yong, YANG Hui-gang, CHEN Guang-tao

（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Plant, Liaoning Fushun 113000, China)

The deformation failure of the tube in the linear tube heat exchanger of ethylene cracking furnace happened. According to the analysis of the macroscopic appearance and microstructure of the heat exchange tube, the failure reasons of the inner tube of the heat exchanger were determined as follows: the local over temperature operation and oxidation corrosion. It's pointed out that the monitoring of linear tube type heat exchanger should be strengthened, the steam drum pressure should be increased during the temperature rising and dropping of cracking furnace to improve the emission of steam drum and low SLE, in order to ensure SLE bottom water cleanliness.

SLE; Deformation; Over temperature; Oxidation corrosion

TQ 221

A

1671-0460（2017）04-0718-03

2017-03-20。

孫博（1982-），男，遼寧省撫順人，工程師，2015年7月畢業于遼寧石油化工大學 機械制造及其自動化專業，從事乙烯設備管理。E-mail：sunbo321petrichina.com.cn。

孫博（1982-），男，工程師。E-mail：sunbo321petrichina.com.cn。