苯乙烯裝置膨脹節(jié)失效原因分析與對策

汪為所

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司，安徽 安慶 246001)

2018年,國內(nèi)苯乙烯消費量已達10.15 Mt，并持續(xù)保持高增長態(tài)勢，目前中國已成為世界上苯乙烯最主要的消費國之一。為緩解國內(nèi)苯乙烯的供需矛盾，國家已規(guī)劃建設(shè)世界級規(guī)模的苯乙烯裝置[1-2]。目前85%以上的苯乙烯裝置采用的工藝是乙苯催化脫氫法[3-4]。

國內(nèi)某石化企業(yè)0.1 Mt/a苯乙烯裝置于2009年7月17日開工，一次開車成功后正式投入運行。裝置采用兩級負壓絕熱乙苯脫氫制苯乙烯技術(shù)，主要包括脫氫反應(yīng)系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)和苯乙烯精餾系統(tǒng)等[5-7]。

苯乙烯裝置運行溫度高于500 ℃，其內(nèi)部為負壓狀態(tài)，且含有大量的氫氣，一旦膨脹節(jié)發(fā)生泄漏，微量空氣進入系統(tǒng)，極易造成爆炸與裝置停工，嚴重影響裝置的安全穩(wěn)定運行[8-9]。對苯乙烯裝置膨脹節(jié)端面環(huán)板產(chǎn)生裂紋的原因進行了分析，并對膨脹節(jié)進行了設(shè)計優(yōu)化，為其工程應(yīng)用提供了依據(jù)，保障了苯乙烯裝置的長周期穩(wěn)定運行。

1 苯乙烯裝置及膨脹節(jié)簡介

苯乙烯裝置主要由脫氫反應(yīng)系統(tǒng)、油水分離系統(tǒng)和苯乙烯精餾系統(tǒng)組成，其工藝流程如圖1所示。乙苯、蒸汽與反應(yīng)產(chǎn)物換熱后，與過熱蒸汽一起進入脫氫反應(yīng)器，在催化劑作用下進行脫氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過冷凝冷卻后進入油水分離系統(tǒng)及苯乙烯精餾系統(tǒng)。

圖1 乙苯脫氫制苯乙烯工藝流程示意

乙苯脫氫反應(yīng)過程中，除生成苯乙烯外，還有氫氣、苯、甲苯、甲烷、乙烯、二氧化碳、一氧化碳等副產(chǎn)物生成。高溫膨脹節(jié)是脫氫反應(yīng)系統(tǒng)的重要設(shè)備，其材質(zhì)及工況見表1。

表1 高溫膨脹節(jié)材質(zhì)及工況

2 膨脹節(jié)開裂失效情況

2019年11月30日,對脫氫反應(yīng)系統(tǒng)已運行10 a的高溫膨脹節(jié)進行檢查，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)端面環(huán)板角焊縫處存在裂紋，裂紋形貌如圖2所示。從圖2可以看出，裂紋沿端面環(huán)板的方向擴展，為一條主裂紋，未發(fā)現(xiàn)明顯分叉，裂紋處外表面呈紅褐色。

圖2 膨脹節(jié)端面環(huán)板裂紋

膨脹節(jié)長期在高溫下服役，由于其端面環(huán)板為整體結(jié)構(gòu)，限制了筒體的軸向熱膨脹，易引起環(huán)板焊縫處產(chǎn)生裂紋。此外，304H不銹鋼含碳量較高，在角焊縫的焊接區(qū)域易發(fā)生晶間貧鉻，導(dǎo)致焊縫區(qū)域性能下降。

3 筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)有限元分析

選取膨脹節(jié)彎頭處的筒體和環(huán)板作為有限元分析對象，分析模型見圖3。筒體內(nèi)徑1 626 mm，厚度22 mm，長度350 mm，環(huán)板外徑1 786 mm，厚度20 mm，保溫層厚度為100 mm。

圖3 筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)有限元分析模型

3.1 筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)溫度場分布

筒體介質(zhì)溫度為564 ℃，對流傳熱系數(shù)為103.98 W/(m2·℃)，304H的導(dǎo)熱系數(shù)為24.3 W/(m·℃)，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m·℃)，空氣的對流傳熱系數(shù)為6 W/(m2·℃)。筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫度場分布見圖4。由圖4可知，筒體與環(huán)板的溫度分布不均勻，溫差較大，筒體與環(huán)板連接處存在較大的溫度梯度、熱應(yīng)變和熱應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

圖4 筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫度場分布

3.2 保溫層厚度對溫差的影響

保溫層厚度對筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差及溫度梯度的影響見圖5。

圖5 保溫層厚度對溫差及溫度梯度影響

由圖5可知，隨著保溫層厚度的增加，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差和溫度梯度逐漸減小，當保溫層厚度增加到300 mm時，溫差和溫度梯度的變化曲線趨于平緩，可認為筒體與環(huán)板同時發(fā)生熱膨脹，能忽略熱應(yīng)力的影響，其結(jié)構(gòu)安全。

3.3 環(huán)板分瓣數(shù)對溫差的影響

環(huán)板分瓣數(shù)對筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差影響見圖6。由圖6可知：隨著環(huán)板分瓣數(shù)的增多，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化基本上呈現(xiàn)遞減趨勢；當環(huán)板分瓣數(shù)從4增加到8時，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化幅度增大，但當環(huán)板分瓣數(shù)超過10時，隨著分瓣數(shù)的增加，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化趨于穩(wěn)定。建議高溫結(jié)構(gòu)環(huán)板的分瓣數(shù)為8。

圖6 環(huán)板分瓣數(shù)對溫差的影響

3.4 環(huán)板分瓣間距對溫差的影響

環(huán)板分瓣間距對筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差影響見圖7。

圖7 環(huán)板分瓣間距對溫差的影響

由圖7可知，當環(huán)板分瓣間距小于10 mm時，對溫差的影響較大，但當環(huán)板分瓣間距大于10 mm時，對溫差的影響無明顯規(guī)律，建議高溫結(jié)構(gòu)環(huán)板的分瓣間距為10 mm。

4 工程應(yīng)用效果

膨脹節(jié)端面環(huán)板角焊縫處存在裂紋，停車時采用專用不銹鋼砂輪機對裂紋位置進行打磨，直至其表面沒有裂紋，然后對打磨位置進行滲透檢測，檢測合格后方可進行補焊。同時將筒體環(huán)板分為8瓣，分瓣間距為10 mm，筒體環(huán)板分瓣示意見圖8。最后對焊縫進行滲透檢測，確保焊縫表面無裂紋。目前膨脹節(jié)已安全穩(wěn)定運行。

圖8 筒體環(huán)板分瓣示意

5 結(jié) 論

(1)高溫膨脹節(jié)筒體與環(huán)板連接處存在較大的溫度梯度、熱應(yīng)變和熱應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

(2)隨著保溫層厚度的增加，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差和溫度梯度逐漸減小，當保溫層厚度增加到300 mm時，可認為筒體與環(huán)板同時發(fā)生熱膨脹，能忽略熱應(yīng)力的影響，其結(jié)構(gòu)安全。

(3)隨著環(huán)板分瓣數(shù)的增多，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化基本上呈現(xiàn)遞減的趨勢。當環(huán)板分瓣數(shù)從4增加到8時，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化幅度增大，但當環(huán)板分瓣數(shù)超過10時，隨著分瓣數(shù)的增加，筒體-環(huán)板結(jié)構(gòu)的溫差變化趨于穩(wěn)定。建議高溫結(jié)構(gòu)環(huán)板的分瓣數(shù)為8。

(4)當環(huán)板分瓣間距小于10 mm時，對溫差的影響較大，但當環(huán)板分瓣間距大于10 mm時，對溫差的影響無明顯規(guī)律，建議高溫結(jié)構(gòu)環(huán)板的分瓣間距為10 mm。