乙烯裂解爐輻射段爐管破損原因分析及解決措施

韓巍

摘要：裂解爐是石油化工企業乙烯裂解裝置的龍頭，而裂解爐輻射段爐管表面所能承受的最高允許溫度是制約裂解爐長周期運行的關鍵因素。本文主要分析了乙烯裂解爐輻射段爐管破損的原因，并提出了相應的解決對策，以提高裂解爐輻射段爐管的使用壽命，促進裂解爐的長周期穩定運行。

關鍵詞：輻射段；裂解爐；爐管；破損

前言

隨著世界經濟的快速發展，國內不斷的提高對乙烯需求量，使得各石油化工企業乙烯裝置基本處于滿負荷生產狀態，工藝操作要求越來越高，生產過程更加精細化，以盡可能的使乙烯生產裝置長周期的滿負荷安全平穩地運行。而裂解裝置的裂解爐是石油化工企業乙烯裝置的龍頭，其生產狀態備受各級管理人員和外界人員的注意。裂解爐主要由以下部分組成：廢熱鍋爐、對流段、輻射段、吹灰器、燃燒器、集煙罩、引風機、以及鋼結構等。

一、裂解爐輻射段簡介

乙烯裝置裂解爐輻射段主要包括爐管、耐火襯里、爐墻板、爐墻磚和燃燒器等，而爐管就是裂解爐輻射段最為關鍵的部件之一。為了提高耐高溫性能，裂解爐輻射段爐管一般都采用高含鉻鎳合金材質鑄造而成的合金鋼管。其中，Cr25-Ni20材質的合金爐管在爐內使用時爐管表面承受的最高允許溫度一般為1050℃，而Cr25-Ni35材質的合金爐管在爐內使用時爐管表面能承受的最高允許溫度一般為1115℃，而Cr35-Ni45材質的合金爐管在爐內使用時爐管表面能承受的最高允許溫度可達到1150℃。裂解爐輻射段爐管表面能承受的最高允許溫度是制約裂解爐長周期運行的最為關鍵的因素，因此，在爐管的生產制造過程中加入鈮、鎢、釩、鈦等微量元素，可以有效地提高爐管在高溫條件下的抗高溫蠕變性能和抗滲碳性能，能有效延長裂解爐輻射段爐管的使用壽命。加入鈮元素能夠提高鋼的蠕變斷裂強度，加入鎢元素能夠改善鋼的抗滲碳能力和耐高溫變形能力，還使鋼具有抵抗結焦引起的材料損傷性能。高濃度的鉻鎳元素能夠有效的保證爐管材料的耐腐蝕性，尤其是鎳含量越高，越有利于改善鋼的抗滲碳能力。

二、裂解爐輻射段爐管破損原因

（1）爐管內壓力過高，導致損壞

在裂解爐中進行的裂解反應需要在高溫、低烴分壓、短停留時間等狀態下操作，所以也就決定了裂解爐輻射段爐管的材質要求是必須要耐高溫，而不是耐高壓的。一般乙烯裝置裂解爐輻射段爐管的操作壓力在0.32MPa左右。但在生產過程中一些操作都會導致輻射段爐管內的壓力超高，引起爐管損壞。

例如：裂解原料大量帶水、或裂解爐投料過程中沒有打開進料前導凝閥排水、或者是稀釋蒸汽系統控制的不到位，導致稀釋蒸汽過熱不充分，稀釋蒸汽就會大量帶水，導致過多的水在輻射段爐管中汽化，引起輻射段爐管內壓力增加而超高，引起爐管損壞。

或者，裂解爐在清焦結束以后，在切入急冷系統時，如果切換操作工藝流程不正確，造成輻射段爐管憋壓，導致引起爐管內壓力超高，使爐管發生損壞。

或者，裂解爐生產負荷過高，在正常操作時，裂解爐的生產負荷一般在設計生產負荷的70%～100%之間，如果我們在實際操作中的生產負荷大于了設計的最高要求，由于裂解反應是生成小分子的過程，那么必然會造成裂解爐輻射段爐管內壓力超高，導致爐管損壞。

（2）輻射段爐管溫度過高，燒壞爐管

雖然裂解反應需要在高溫的條件下進行，但并不是溫度越高越好，因為輻射段爐管的材質決定了爐管表面能夠接受的最高溫度。裂解爐輻射段爐管長期處于高溫條件下，會發作蠕變現象，以至于爐管發生斷裂損壞。高溫下的氧化與滲碳兩種進程促進爐管內壁金屬體積發作不均勻的改變，部分區域內發作很高的應力，加之滲碳層內碳化物集合增加了材料的脆性，易構成裂紋。輻射爐管外壁高溫氧化，因為輻射爐管運轉階段偶爾呈現的超溫表象，使金屬中的鉻含量下降，金屬耗費，金屬體積發作不均勻改變，構成內應力。輻射爐管長時間處于高溫下運轉，在合金晶界處，裂紋敏感性極強，因為體積不均勻改變，內應力增加而產生裂紋；在操作進程中，輻射爐管外表面溫度不穩定，而致使的熱應力更是加快了裂紋的發作與產生。在生產過程中一些操作都會導致輻射段爐管表面的溫度超高，引起爐管損壞。

例如，輻射段爐管結焦嚴重，為了保證裂解爐出口溫度的穩定，就需要提高爐膛溫度，從而引起爐管的溫度超高?；蛘呤侨剂蠚獬霈F帶液情況，液相的燃料氣經燃燒器噴到爐膛或輻射段爐管上，就會造成輻射段爐管局部溫度過高?；蛘呶那鹄锒氯虺霈F偏流，那么有的輻射段爐管就會出現干燒或過裂解的狀況，導致裂解爐輻射段爐管溫度超高。或者過高的燃料氣壓力會導致裂解爐爐膛內溫度過高，進而引起輻射段爐管溫度超高?；蛘呤橇呀鉅t燒焦速率過快，由于燒焦操作是放熱反應，通入工業風的速率過快，就會導致輻射段爐管溫度迅速升高，而發生溫度超高現象。

（3）輻射段爐管滲碳，導致爐管損壞

裂解爐輻射爐管在高溫下長期運行會發生滲碳現象。輻射爐管中的氣體由CO2、烴類、CO和焦炭等構成。在長期的高溫條件下，各種氣體吸附在爐管金屬內外表，在爐管材質中的鐵和鎳的催化作用下，推進了吸附氣體的析碳反響，發生所謂的“貧鉻富鎳”現象。其原理就是，在爐管金屬內外表組織疏松、氧化膜決裂或內外表缺點部位，活性碳原子很容易進入合金基體，在金屬晶界上聚結與鉻元素構成碳化物，跟著晶界處碳原子逐漸增大，繼而構成較為安穩的碳化物，使滲碳層中的鉻含量下降，而鎳含量相對會集。爐管中鉻含量的下降直接影響金屬材料的抗氧化-硫化性能，使合金爐管的耐熱功能下降，增加了爐管內外表的脆性，另外由于滲碳層與其相鄰爐管材料的線性膨脹系數不一樣，操作升降溫過程中在其附近組織界面處易發生裂紋，而導致爐管損壞。

三、防爐管損壞采取的解決措施

1）要加強乙烯裝置裂解爐操作管理的工藝流程，嚴格按照規定的操作指標控制各操作參數，使裂解爐正常平穩的運行，這樣能很大程度的延長輻射段爐管的使用壽命。

2）工藝人員對COT和TMT的監控要做到及時準確；嚴格控制燃料氣的組分和壓力，要盡量控制平穩，以減少波動。

3）在乙烯裝置裂解爐燒焦操作時，要確認燒焦徹底，要控制好燒焦時間和燒焦速率，嚴格防止燒焦不完全，或者發生二次結焦現象。

4）在乙烯裝置裂解爐檢修過程中，要嚴格檢查更換爐管的材質，以及爐管的檢測報告防止爐管安裝用錯材質，或者尋找新型的抗氧化、耐高壓、抗高溫、抗滲碳的爐管材料。在爐管安裝時要檢查安裝情況，要避免使爐管存在外部應力。

結束語

不當操作引起的超壓、超溫和滲碳是導致乙烯裂解爐輻射段爐管損壞的主要原因，縮短了爐管的使用壽命。所以為了實現乙烯裝置裂解爐的長周期、安全、穩定運行，在生產過程中必須做好裂解爐的精細化操作和選擇先進的爐管材料。

參考文獻：

[1]吳建平.乙烯裂解爐輻射段爐管失效原因分析及對策[J].石油和化工設備，2013（08）.

[2]唐廣清.裂解爐輻射段爐管的材質選擇和安裝探討[J].乙烯工業，2007（04）.

[3]李森.輻射段爐管常見失效形式的分析與預防[J].乙烯工業，2013（04）.