加熱爐燃燒器及附屬管線腐蝕分析與治理

摘""""" 要：某石油化工裝置二甲苯重沸爐在運(yùn)行期間加熱爐燃燒器及燃料氣管線頻繁發(fā)生泄漏，給裝置安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大安全隱患。針對(duì)加熱爐燃燒器及附屬燃料氣連接管線泄漏情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，結(jié)合化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)后期泄漏治理提出可行性方案。

關(guān)" 鍵" 詞：燃料氣；加熱爐燃燒器；管線失效；泄漏

中圖分類號(hào)：TQ050"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1004-0935（2024）11-1786-04

某石油化工裝置二甲苯塔重沸爐為輻射對(duì)流型立管立式圓筒爐，燃燒器噴槍安裝于加熱爐底部，燃燒器型號(hào)為CCFB-IV3.2，額定負(fù)荷3.2 MW，每個(gè)燃燒器由兩支半圓形噴槍組成，共有8只噴槍，各噴槍之間通過(guò)鋼板連接作為加強(qiáng)筋固定于火盆，噴槍下部連接集合管，燃料氣主管以對(duì)焊方式與集合管相連接，燃燒器技術(shù)參數(shù)如表1所示、詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1" 泄漏情況

2021年二甲苯塔重沸爐燃燒器噴槍及附屬燃料氣連接管線頻繁發(fā)生泄漏，泄漏位置集中，期間對(duì)泄漏情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示、設(shè)備失效情況如圖2、圖3所示。

2" 泄漏原因分析

此次發(fā)生的介質(zhì)泄漏主要分布在分支噴槍與集合管焊接位置；分支噴槍與固定筋板焊接位置；附屬燃料氣連接管線直管段與彎頭焊縫附近。發(fā)生失效部位均為奧氏體不銹鋼材質(zhì)。管線的失效主要有以下幾方面原因：使用材料質(zhì)量缺陷、管線內(nèi)部介質(zhì)腐蝕、管線應(yīng)力開(kāi)裂等^[1]

2.1" 材料質(zhì)量缺陷

燃料氣連接管線及彎頭使用材質(zhì)為S30403，燃燒器分支噴槍使用材料材質(zhì)為S31008通過(guò)光譜儀分別對(duì)燃燒器分支噴槍、連接管線、彎頭進(jìn)行檢查核對(duì)，詳細(xì)化學(xué)成分及對(duì)比如表3所示。

從表3可以看出光譜儀檢測(cè)燃燒器分支噴槍與連接管線元素組分含量滿足《GB/T 20878—2007》標(biāo)準(zhǔn)要求，故排除由于材料材質(zhì)缺陷導(dǎo)致管線泄漏。

燃料氣管線一般選用不銹鋼或者碳素鋼材質(zhì)，本裝置連接管線選用S30403材質(zhì)，屬低碳奧氏體不銹鋼，具有良好的耐熱性，耐腐蝕性，因含碳量較低，在焊接后焊縫區(qū)域析出碳化物較少，且加熱爐管線焊縫較多，空間有限，不能滿足對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理，選用S30403能夠較好地避免焊后晶間腐蝕的發(fā)生^[2]；碳素鋼的耐蝕性較差，為預(yù)防燃料氣中帶有腐蝕性介質(zhì)對(duì)管線造成腐蝕，本裝置的連接管線未使用碳素鋼，故選用S30403材質(zhì)作為連接管線，選材恰當(dāng)。

燃燒器分支噴槍選用材質(zhì)為S31008，屬高鎳奧氏體不銹鋼，具有較好的耐蝕性，一般多用作耐熱鋼，燃燒器噴槍直接接觸火焰，溫度較高，但本次發(fā)生腐蝕部位位于分支噴槍焊縫區(qū)域，因此可判斷與燃燒器噴槍的使用材質(zhì)并無(wú)關(guān)系。

2.2" 介質(zhì)腐蝕

燃料氣中含氯、硫等酸性介質(zhì)，硫、氯含量高會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生腐蝕，因此對(duì)燃料氣組分進(jìn)行整理分析，詳細(xì)平均數(shù)據(jù)如表4。

由表4可看出發(fā)生材料失效燃料氣中硫化氫含量體積分?jǐn)?shù)平均值低于0.5%，雖然存在一定濃度硫化氫，但通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)：當(dāng)硫化氫含量較低時(shí)， 不銹鋼表面鈍化膜的厚度在硫化氫的作用下不斷減薄， 但不會(huì)被完全破壞， 電化學(xué)阻抗譜圖保留鈍化膜的阻抗特征^[3]，不銹鋼材質(zhì)具有較好的耐硫腐蝕能力；氯對(duì)不銹鋼管線的腐蝕影響較大，但在化驗(yàn)分析中未檢測(cè)出，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況：如果單純?yōu)槿剂蠚庵辛颉⒙雀g，那發(fā)生腐蝕的部位不會(huì)局限于幾個(gè)燃燒器或某段管線，因裝置內(nèi)圓爐區(qū)共5臺(tái)加熱爐，其燃燒器、管線選用材質(zhì)均相同，使用燃料氣組分相同，如若是單純由于燃料氣的硫、氯腐蝕導(dǎo)致泄漏必定會(huì)遍及整個(gè)加熱爐或整個(gè)圓筒爐區(qū)，但此次泄漏主要集中于局部幾個(gè)燃燒器和管線，所以可以排除單純由燃料氣介質(zhì)因素導(dǎo)致管線發(fā)生失效。

2.3" 管線應(yīng)力開(kāi)裂

2.3.1 "現(xiàn)場(chǎng)理論分析

不銹鋼管線的應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和介質(zhì)的雙重結(jié)合作用產(chǎn)生的結(jié)果，其中應(yīng)力又包括殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力^[3]，由于燃燒器的安裝及管線配管受到現(xiàn)場(chǎng)因素制約加之燃燒器的設(shè)計(jì)存在一定缺陷，使得在安裝連接過(guò)程中必然會(huì)存在外加應(yīng)力，如圖4所示。

當(dāng)連接管線法蘭與噴槍法蘭由于預(yù)制連接管線不當(dāng)，配對(duì)法蘭不能完全貼合存在一定錯(cuò)位時(shí)，在法蘭螺栓和噴槍定位螺栓的作用下迫使燃燒器定位，此時(shí)便會(huì)存在由人為因素導(dǎo)致的外加應(yīng)力存在。

另外，雖然奧氏體不銹鋼具有良好的使用性能，但唯一的缺陷是在經(jīng)過(guò)焊接后所產(chǎn)生的應(yīng)力，使材料產(chǎn)生腐蝕性裂紋，影響使用性能，由于爐底空間狹小，使用管件數(shù)量多，每個(gè)燃燒器與管線的連接焊口均在10處以上，由于焊縫數(shù)量多，增大了焊后應(yīng)力的存在，故初步判定是由于管線應(yīng)力作用導(dǎo)致材料發(fā)生失效，既然應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和介質(zhì)的雙重作用導(dǎo)致材料失效，然而燃料氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)低于0.5%，且未檢測(cè)出氯元素，由于燃料氣化驗(yàn)并非在線監(jiān)測(cè)，所以需要對(duì)管線進(jìn)行深入進(jìn)一步檢測(cè)，進(jìn)行分析。

3.3.2" 截面金相分析

由圖5、圖6可見(jiàn)，材料裂紋是由內(nèi)部萌生，向外壁蔓延，在管壁中心改變方向，裂紋起源處存在非均勻奧氏體組織。

3.3.3"" SEM分析

檢測(cè)部位端口SEM形貌，由上圖可見(jiàn)斷口上覆蓋著較厚的氧化層，并存在解理臺(tái)階，具有脆性斷口特征。試樣斷口SEM形貌見(jiàn)圖7。

3.3.4" 斷口微區(qū)成分分析

由圖8所示，斷口位置含C、O含量較高，且含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.44%的氯元素。

根據(jù)上述微觀分析所述，推測(cè)管線發(fā)生失效形式是由于材料變形較大，產(chǎn)生應(yīng)力較高，且斷口位置集聚硫、氯等腐蝕介質(zhì)，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

結(jié)論：通過(guò)前期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管線的檢查，進(jìn)行初步的理論分析判斷結(jié)合材料的微觀失效分析，不難看出，管線是在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的雙重作用下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕，致使材料失效。

4 "泄漏預(yù)防治理

2022年初通過(guò)與生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)交流對(duì)燃燒器噴槍做了兩方面改造：一方面，更改燃燒器與火盆的連接方式，原燃燒器是作為一個(gè)整體與火盆使用螺栓固定，現(xiàn)將燃燒器分割為兩部分，筋板通過(guò)螺栓固定于火盆，噴槍穿過(guò)筋板套管利用螺栓側(cè)邊壓緊固定方法固定在筋板上，實(shí)現(xiàn)噴槍固定，將原來(lái)筋板與分支噴槍間的金屬焊接方式改為活性連接，減少焊接點(diǎn)，方便調(diào)整的同時(shí)滿足消除外加管線應(yīng)力，另一方面，原加熱爐燃料氣主管與噴槍法蘭之間連接采用不銹鋼管連接，現(xiàn)將原硬管更換為金屬軟管，減少連接管線焊接次數(shù)消除管線焊接應(yīng)力。更新后燃燒器見(jiàn)圖9。

5" 結(jié)語(yǔ)

腐蝕一直是化工裝置無(wú)法避免的問(wèn)題，管線發(fā)生腐蝕導(dǎo)致介質(zhì)泄漏具有極其重大的安全隱患，此次加熱爐燃燒器及其附屬管線腐蝕發(fā)現(xiàn)及時(shí)，處理得當(dāng)，避免發(fā)生較大泄漏，目前該燃燒器已在裝置內(nèi)運(yùn)行兩年，從未出現(xiàn)燃料氣泄漏情況，泄漏問(wèn)題得到妥善治理。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉帥，朱磊.有關(guān)不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的研究[J].價(jià)值工程，2018，37（20）：129-130.

[3] 劉烈煒， 胡倩， 郭沨. 硫化氫對(duì)不銹鋼表面鈍化膜破壞的研究[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)， 2002， 22（1）： 22-26.

Corrosion Analysis and Control of Heating Furnace

Burner and Auxiliary Pipelines

WANG Xia

（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co.， Ltd， Ningbo Zhejiang 315000， China）

Abstract： During the operation of a xylene reboiler in a petrochemical plant， frequent leaks occurred in the heating furnace burner and fuel gas pipeline， posing a huge safety hazard to the safety production of the plant. In this article， the leakage situation of the heating furnace burner and auxiliary fuel gas connection pipeline was analyzed through on-site investigation， combined with laboratory analysis results， and feasible solutions for later leakage control were put forward.

Key words： Fuel gas; Burner; Pipeline failure; Leak