催裂化裝置煙機入口膨脹節失效分析

文/隋春明 史光輝 王寶鵬 吳乙博

本文作者供職于中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司。

催裂化裝置膨脹節失效原因分析、預防和處理措施建議——通過對催裂化裝置膨脹節失效樣品的化學成分、金相及運行工況、斷口能譜和掃描電鏡進行分析，得出波紋管膨脹節失效的主要原因是晶間腐蝕和應力腐蝕聯合作用的結果。針對催裂化裝置含硫、含釩及高溫的運行工況，建議在檢修期間做好防露點腐蝕的防護工作，并且需定期更換膨脹節，同時可考慮采用雙層帶層間監測預警結構的膨脹節等預防和處理措施，防止因膨脹節突發失效導致裝置非計劃停車，造成經濟損失。

催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而膨脹節是該裝置的必備元件。該裝置中的介質工作溫度高、腐蝕性強，容易引起波紋管薄壁結構的腐蝕失效。

某公司催化裂化裝置煙氣管道單式鉸鏈型膨脹節的波紋管波峰開裂（首次出現此類問題），如圖1所示。

圖1 波紋管波峰開裂

失效膨脹節的安裝位置為下三鉸鏈組合的最下面的一個，如圖2所示。該波紋管主要用于吸收管道熱位移。管道介質為煙氣+催化劑，工作溫度為700℃，運行時承受一定的波動載荷。初始裂紋在波紋管邊波峰上，長約300 mm，沿周向延伸，深度貫穿波紋管壁厚。對波紋管進行一些處理后設備繼續運行3個月，大修更換波紋管時發現除周向裂紋外，還有起始于周向裂紋的橫向裂紋，裂紋呈樹枝狀。

圖2 失效膨脹節安裝位置

樣品處理

切割取樣

樣品為催裂化裝置失效波紋管開裂波峰段樣品，如圖3所示，并沿其周向裂紋的走向，進行預切割；編號處理后，分別制取金相試樣（2-3）、化學分析試樣（1-3）、斷口和腐蝕產物分析試樣。

圖3 失效波紋管取樣示意

分析試驗

根據ASTM E2594—2020《感應耦合等離子體原子發射光譜法（基于性能的方法）分析鎳合金的標準試驗方法》對樣品的材質元素進行分析。

對失效的波紋管進行取樣，利用Olympus GX71金相顯微鏡進行裂紋低倍形貌觀察和金相組織分析，利用Quanta650掃描電子顯微鏡進行斷口形貌分析，利用Genesis X-射線能譜儀進行腐蝕產物分析。

運行工況

在煙氣能量回收系統中，采用膨脹節進行補償的主要有3條管線，其中旋風分離器至煙氣輪機管道的工作介質為煙氣，其成分見表1，工作溫度在700℃左右，工作壓力在0.35 MPa左右。

表1 某裝置煙氣成分組成及比例

結果與討論

參數測量

分別從切割波紋管的兩側及中間部位測量每個波的波高、波距，并填入表3。將出現周向裂紋的波紋記為第1個波，依次標記為2、3、4、5、6。波紋管的設計波距為100 mm，設計波高為102 mm。由表2可知，周向裂紋所在的第一個波紋長度已經達到了115 mm，其波距變化率已達到GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》中規定的平面失穩限值，說明波紋管已出現平面失穩。

表2 波紋管參數測量表

化學成分分析

針對失效的波紋管材料進行成分分析，分析結果見表3，符合ASME SB443 N06625合金的標準，材質沒有問題。

表3 波紋管材質化學成分分析

裂紋宏觀觀察

圖4為周向裂紋宏觀形貌照片，從圖中可以看出波紋管外面覆蓋著黑色的碳和黃褐色的腐蝕物。本次出現的裂紋長度約30 cm，斷裂處1-3試樣和1-5試樣還有子午向的裂紋，如圖5所示。

圖4 周向裂紋宏觀形貌

圖5 橫向裂紋形貌

斷口清洗后明顯可以看出裂紋分為3個區域，從上至下分別為裂紋源區、裂紋擴展區和斷裂區。裂紋源區，占斷口區域的1/7；裂紋擴展區占斷口區域的5/7；剩余部分為斷裂區。裂紋起源于試樣內表面，主要為沿晶特征。圖譜如圖6所示，后的腐蝕產物主要為NiO、Cr2O3、NiCr2O4、NiS和Fe2O3。

圖6 掃描電鏡+能譜分析

失效分析

Inconel 625合金作為一種鎳基變形高溫合金，具備了耐高溫、耐腐蝕、抗氧化以及抗疲勞等優點，擁有良好的性能，包括優異的屈服強度和疲勞裂紋擴展速率，在650℃以下時具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能。催化裂化裝置能量回收系統管路內介質工作溫度700℃，存在高溫氧化和腐蝕失效的工況條件。

合金的抗腐蝕性主要來源于Cr元素與空氣中的氧氣發生氧化形成Cr2O3保護膜，阻止基體與腐蝕介質接觸。雖然，Ni是親氧元素，合金中Ni元素占有優勢時，能生成連續的氧化膜，但NiO不如Cr2O3致密，保護性不如Cr2O3。因此腐蝕過程中往往伴隨著氧化層的溶解。

合金在腐蝕后的晶界處發現明顯的析出相，為δ相Ni3（Nb, Mo），隨著Nb和Mo元素聚集到晶界處形成第二相，造成晶界處產生貧Cr區和貧Ni區，難以形成致密的氧化膜，致使S元素腐蝕基體。晶界處富集大量S元素，NiS和Ni會在高溫下生成共晶體，這種共晶體的熔點只有645℃，熔融的共晶體滲透于晶粒之間，發生晶間腐蝕。

晶間腐蝕作為應力腐蝕裂紋的誘發部位，在波紋管壓力、位移應力以及含硫腐蝕介質的聯合作用下，產生了應力腐蝕裂紋。

另外高強合金的性能本身也加快了腐蝕裂紋的擴展。當腐蝕裂紋沿厚度方向擴展至波紋管壁厚無力承受介質內壓時，波紋管就會開裂失效。

結論與建議

分析結論

1.波紋管失效性質為晶間腐蝕和應力腐蝕作用的聯合結果。

2.裂紋源的產生是由于材料在腐蝕性環境下局部高應力處首先發生高溫氧化、硫化腐蝕所致。

3.波動載荷是產生交變應力的原因，波紋管在交變應力作用下，其應力幅值反復變化，裂紋得以不斷擴展，最后斷裂。

應用建議

1.停工檢修期間做好防護

由于催化裂化裝置中存在大量的含硫氣體，在低于露點溫度時極易冷凝，并沉積到波紋管底部，從而增大產生應力腐蝕失效的幾率。

2.進行膨脹節結構升級

催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而能量回收系統又是決定全廠能源利用指標的重要系統。若該系統因突發設備失效造成裝置緊急停，將產生重大經濟損失。為提高該系統用膨脹節裝置的長周期安全運行可靠性，建議將波紋管的單層薄壁結構，升級為雙層結構，并采用“單層承壓，雙層設計”的理念，進行產品的設計和制造。同時，該結構可輔以具備遠程監測功能的波紋管層間泄漏預警系統，將大大提升整個裝置系統（管路）的運行安全性。