（中石化金陵分公司，江蘇 南京 210033）

重油催化裝置高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)開裂分析及改進(jìn)

張可偉

（中石化金陵分公司，江蘇 南京 210033）

中石化金陵分公司130萬t/a重油催化裂化裝置的高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)在2010年8月～2013年3月期間，發(fā)生了10多次開裂，經(jīng)分析，找到了原因，并提出改造對策，取得較好效果。

催化裂化；高溫?zé)煹?；膨脹?jié)；開裂分析

一、高溫膨脹節(jié)開裂的基本狀況

1．開裂膨脹節(jié)所處位置

中石化金陵分公司130萬t/a重油催化裂化裝置三級旋風(fēng)分離器出口和高溫?zé)煹来怪倍沃g的第一個膨脹節(jié)，于2010年7月18日、8月1日分別連續(xù)兩次開裂，向外泄漏大量高溫催化劑，當(dāng)時把裝置停下來包套處理開裂泄漏處。2010年7月至2013年3月期間，安裝于三級旋風(fēng)分離器與煙機(jī)之間的煙道中的膨脹節(jié)，發(fā)生了13次開裂，大量泄漏高溫催化劑。

2．膨脹節(jié)開裂情況

該金屬波紋管開裂斷口特征是橫向和斜裂紋等不同裂紋方式，但從宏觀可看出，橫向裂紋最為明顯。裂紋集中存在于該波紋管波谷的表面，同時還存在波紋管內(nèi)表面，裂紋分布多且廣，可為多源性。

3．膨脹節(jié)原始設(shè)計參數(shù)

設(shè)計壓力：0．3MPa；介質(zhì)溫度：780℃；許用疲勞壽命：3 000次；波根直徑：1 940mm；波高：85mm；波距：85mm；波數(shù)：4＋4＋4；層數(shù)：1；波紋管厚度：2mm；波紋管材質(zhì)：Incoloy800。

4．膨脹節(jié)運行情況

高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)從裝置開車到波紋管開裂運行僅10個月，出現(xiàn)波紋管從波峰處開裂泄漏。該泄漏處的工作壓力是0．20MPa左右，工作溫度720℃左右，運行參數(shù)符合設(shè)計要求。裝置的高溫?zé)煹?個膨脹節(jié)工作介質(zhì)為煙氣＋催化劑，煙氣中含有O2、N2、H2O、含有少量的極性氣體SO2、NO2、CO2及較微量CO等，催化劑中還含有少量的硫、氮組分。

二、開裂斷口處分析研究

1．Incoloy 800波紋管宏觀分析

開裂失效的Incoloy 800波紋管的宏觀照片見圖1。從圖中可以看出，該金屬波紋管開裂斷口特征雖然有橫向和斜裂紋等不同裂紋方式，但可看出，橫向裂紋最為明顯，裂紋集中存在于該波紋管波谷的表面，同時還存在波紋管內(nèi)表面，裂紋分布多且廣，可為多源性，初步可認(rèn)定為裂紋塑性特征明顯，可排除疲勞斷裂的可能性。同時，從圖中可看出，波紋管的表面腐蝕程度不明顯，斷口平整光滑。

圖1 開裂的Incoloy 800波紋管膨脹節(jié)宏觀照片

2．材料成分分析

從開裂失效的Incoloy 800波紋管的X-射線熒光光譜成分分析結(jié)果及用紅外碳硫分析儀檢測該合金中碳含量的結(jié)果可以看出，該波紋管材料驗證確實是Incoloy 800。

3．金相檢驗

通過對該金屬波紋管原樣品金相分析研究觀察，它的組織是奧氏體＋微量碳化物，晶粒直徑平均為150μm，晶粒度3級，說明膨脹節(jié)原材料是退火態(tài)固溶板材，檢驗項目全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對該波紋管開裂處的樣品金相分析研究，組織是奧氏體＋微量碳化物，平均晶粒直徑和晶粒度與原母材樣品相似，這證實了波紋管的金相組織無較大變化。

4．機(jī)械性能

該金屬波紋管開裂處樣品和母材樣品的室溫、高溫力學(xué)性能檢驗分析結(jié)果列于表1，母材樣品力學(xué)性能數(shù)據(jù)全部滿足ASTM B443-96A相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，失效波紋管的樣品力學(xué)性能，它的伸長率與原始板材相比偏低，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度相比于原始板材偏高。

表1 力學(xué)性能分析結(jié)果

5．微觀組織分析

開裂失效Incoloy 800波紋管中的微觀裂紋見圖2。從圖中可以看出，裂紋為穿晶型裂紋，主裂紋較為明顯，但也能看出有少量二次裂紋，二次裂紋數(shù)量很少、擴(kuò)展面也比較窄，從而可排除晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

圖2 開裂的波紋管中的微觀裂紋金相照片

6．裂紋在金相組織中的走向

從膨脹節(jié)的失效波紋管斷口部位取樣，光學(xué)顯微鏡通過觀察對比，把它的斷面進(jìn)行拋光取樣，發(fā)現(xiàn)斷口表面的裂紋，該裂紋深度有2～3個的晶粒大小，拋光試樣經(jīng)王水腐蝕后，再到顯微鏡下分析觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋形狀成網(wǎng)狀外貌，以沿晶裂紋為主，也存在少量穿晶裂紋。

7．波紋管開裂泄漏性質(zhì)判定

通過對催化裂化裝置金屬波紋管的開裂碎片分析，從宏觀到微觀觀察分析，可判定波紋管開裂是該合金斷裂處晶界兩側(cè)的貧Cr區(qū)高溫氧化、晶界析出的碳化物、晶界吸硫的環(huán)境下高溫晶界開裂。

三、改進(jìn)措施

1．材料升級

Incoloy800 合金在大于720℃的溫度使用，存在兩方面的風(fēng)險：一是該合金可能發(fā)生脆性，尤其在晶界上析出富Cr的碳化物情況下；二是工作介質(zhì)中的氧和硫元素含量達(dá)到一定時，該合金表面氧化膜不能阻止氧和硫元素的滲入，這時該膨脹節(jié)的晶界基體就會氧化、吸硫，氧化造成晶界強(qiáng)度減弱產(chǎn)生微裂紋，加速了晶界的弱化，最終造成膨脹節(jié)開裂。因此，此裝置在改造中，高溫?zé)煹赖呐蛎浌?jié)采用了Inconel625材料，其強(qiáng)度、性能比Incoloy800優(yōu)越。

2．結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本裝置三旋出口煙道垂直段的膨脹節(jié)，裸露部分溫度可達(dá)710℃，遇到雷暴雨、晝夜溫差大時，對出口產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。本裝置的三旋是固定在支座框架上的，這部分應(yīng)力由反作用到第一個膨脹節(jié)上。這樣的交變應(yīng)力荷載可引發(fā)材料疲勞失效開裂。因此，對膨脹節(jié)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，膨脹節(jié)外部增加了金屬外護(hù)罩，防止在雨雪天氣條件下，溫度急劇變化帶來較大拉應(yīng)力和交變應(yīng)力荷載。

3．高溫?zé)煹廊嵝圆季謨?yōu)化

把該裝置的高溫?zé)煹赖木S立體Z型布置，在垂直管道中部設(shè)置固定承重支架，分為以三旋出口和煙機(jī)入口為支點的兩個“L”型平面管系，各設(shè)1組3個單式鉸鏈型膨脹節(jié)，來吸取管系的整體位移，具體如圖3所示。

圖3 高溫?zé)煔夤艿栏髦c分布圖

通過CAESAR II軟件建模，從應(yīng)力校核和管道軟件分析的結(jié)果來看，兩個“L”平面型管系的柔性良好。關(guān)鍵節(jié)點最大受應(yīng)力低于設(shè)計的許用應(yīng)力，在固定支架之前的各關(guān)鍵節(jié)點受應(yīng)力均低于各支點的許用應(yīng)力值的，這樣的受力狀態(tài)滿足了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、結(jié)論

通過對催化裂化裝置開裂波紋管13次開裂的分析研究，找到原因，提出了針對性的解決措施。對該裝置三旋至煙機(jī)煙道及膨脹節(jié)進(jìn)行材料升級、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、布局優(yōu)化，經(jīng)2013年6月至8月2個月的組裝，順利的用于生產(chǎn)實踐，于8月26日該裝置一次開車成功，投用正常。

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